机械加工机械振动的原因及解决

谢忠华

（武汉职业技术学院 机电工程学院，湖北 武汉 430074）

企业生产加工过程在日益精进的科学技术帮助下早已实现了机械化、数字化和智能化，不仅使机械加工过程更加高效、精准和便捷，还降低了劳动率并提高了生产效率。然而，机械加工过程也面临着一些棘手的问题，最明显的就是机械振动现象[1]。机械振动源自于机械加工时刀具和工件之间长期处于转动状态且产生了周期性往复运动，因此导致机械发生振动。机械振动虽然是一种必然现象，但它降低了被加工零部件的精准度，进而对产品质量和生产效率造成了严重影响。为此，应对机械加工中的振动原因进行分析，从而采取有效办法以减少机械振动的发生[2]。

1 机械振动形成的原因和特征

机械振动是机械加工中常见现象，主要包括自由振动、强迫振动和自激振动三种类型。自由振动是因初始干扰力作用的影响而使整个加工系统的平衡状态被打破时，为了维持状态而受弹性恢复力作用引起的振动；强迫振动一般产生于周期性变化的外力作用下；自激振动是因交变力作用的影响而使得机械加工系统本身产生了不衰减的振动。

（1）自由振动产生的原因

从实际情况来看，自由振动的形成原理最简单，但且难以预防，与其他振动方式不同的是：自由振动出现的次数最少，其产生的原因包括切削力发生突变以及外界作用力的冲击而导致。由于发生自由振动时不存在来自外界能量的补充，因此阻尼作用会使得自由振动迅速衰减，所以说机械加工基本上不受自由振动的影响，一般不予讨论[3]。

（2）强迫振动产生的原因和特征

强迫振动最为常见，其产生原因大体上分为两类：工艺系统内部原因和工艺系统外部原因。

强迫振动受工艺系统内部影响而产生，主要原因在于：一个是受离心惯性力的波动影响。机械加工工艺系统的内部存在大量元件，比如电子机转子、联轴节、皮带轮、砂轮以及被加工的高速回转工件等，这些元件在自然状态下都有可能发生不平衡现象，进而产生离心惯性力，其波动直接催生了强迫振动，且强迫振动的频率与这些元件每秒钟的相应转数大体上相同；一个是转动机构有缺陷存在。在制造或装配零件的环节中，由于操作误差而导致周期性干扰力的形成，一些零件受此影响而出现了强迫振动；一个是加工过程的间歇性。当加工件的间断部位和加工部位由于间隙而引发节奏交替，则很容易导致周期性的激振力，继而催生了强迫振动，比如：铣削/拉削以及周边磨损不均匀的砂轮等。

强迫振动受工艺系统外部影响而产生的原因包括两部分：一个是在机械加工现场周围由于空气压缩机、大型冲床和大型锻锤等设备施工而引起的地基振动；另一个是由于液压件冲击或者运动部件换向时的惯性力等具有往复运动部件的机械在施工过程中自发引起的。

强迫振动的特征体现在四个方面：首先，强迫振动对干扰力变化和加工过程都不具有影响，所以可通过消除干扰力来停止强迫振动；其次，强迫振动的频率与外界周期干扰力频率接近；再者，由强迫振动而引起的干扰频率在条件满足时很容易与系统自身的固有频率发生共振，从而影响整个机械加工过程；最后，强迫振动的振幅随干扰力增大（减小）而增大（减少），随刚度或阻尼的增大（减小）而减小（增大），且从位移变化上讲滞后于干扰力一个相位角。

（3）自激振动产生的原因和特征

自激振动出现频繁，通常也称之为“颤振”。机械加工时如果某些工件材料的硬度不均匀，或者加工余量有变动，都会导致整个加工系统出现振荡，进而导致工件和刀具间的相对位移出现周期性变化，从而产生自激振荡。到目前为止，自激振荡的激振机理还未完全研究出来，应用较多的机理有再生、振型耦合、负摩擦以及滞后。

2 机械加工过程中机械振动的解决方法

据资料统计显示，各类型振动在机械加工中产生的比率分别为：自由振动5%、强迫振动30%、自激振动65%，这其中自由振动对机械加工过程的影响最小，其余类型振动的影响最大。

（1）降低强迫振动的措施

已经得出的结论表明周期性激振力是引发强迫振动的主要原因，其振动频率也与干扰力的频率想接近，或者是干扰力频率的数倍，因此想要降低或者消除强迫振动，必须找出其振动源。具体来说，减少强迫振动的措施包括：

第一，对激振力进行控制。机械加工中回转元件的不平衡是产生激振力的关键，因此应减少由不平衡所引起的离心惯性力和冲击力即可减少激振力。

第二，对振源频率进行调节。从加工系统的固有频率入手，对其进行合理安排以预防共振，具体的实施措施如下：首先调节激振力频率来有效避开系统的固有频率；其次在机械加工设备的结构设计中，对工艺系统各个部件的固有频率进行调整，令其明显区别于共振区频率；再者调整加工设备中的轴承与镶条等部件间隙，从而确保其与振荡频率相距甚远；最后调节机械加工系统中的一些运动参数，提前预防可能引发强迫振动的振源频率，并尽量远离薄弱模态的固有频率。

第三，加强系统阻尼。系统阻尼得到增强有助于动刚度和振动稳定性的提高，有效的措施为：将电流变液阻尼器加装在机床主轴上、预先禁锢滚地轴承、在支撑件的零部件臂中填充型砂或混凝土等阻尼材料、将具有高内阻和较高弹性模量的黏性材料喷涂在机械加工系统中承受弯曲振动的支撑件的表面等。

第四，隔离外来振动影响。分隔机床与电视机、油泵等动力源，或者使用隔振材料隔离地面与机械加工设备，比如：在磨床砂轮电动机底座与垫板之间垫上具有弹性的木板或者硬胶皮，在机械加工设备机床的周围挖防振沟等。

（2）降低自激振动的措施

如上述分析，受切削过程中的工艺系统内部是自激振动主要影响因素的来源，所以应通过控制机械加工中的切削用量、刀具几何参数、切削过程中的阻尼等措施来有效减少自激振动。实施措施如下：

第一，使重叠系数变小。重叠系数对系统再生效应有直接影响，而加工方式、刀具的几何形状以及切削用量直接决定了重叠系数值μ。如图1所示，当加工螺纹工件时μ=0，此时不会引发再生型自激振荡；而在切断工件时μ=1，此时再生效应最大。通常情况下，μ值位于0—1之间时进行的是纵向切削，此时可以通过改变刀具几何形状以及切削用量来减少μ值，从而使切削稳定性得以提高。

图1 两种加工方式的μ值

第二，合理选择刀具几何参数。刀具几何参数中对自激振荡有严重影响的参数为主偏角κr和γ0，当主偏角增大、κr=90°时，自激振动的振幅最小，与此同时切削力和振幅分别与前角成反比关系。因此，减小振动的有效方法就是使前角和主偏角得到适当增大，而后角则尽量取小。精加工时若选择的切削深度较小、后角过小，则不容易使刀刃切入工件，同时加工表面与刀具的摩擦会被加剧，更容易引发自激振动，因此可在刀具的主后面上磨出一段后角为负的窄棱面来增大工件和后刀面之间的摩擦阻尼，如图2所示。

图2 磨出一段后角为负的窄棱面示意图

第三，合理选择切削用量。切削时用ap、f、v分别表示切削用量三要素，其与金属切除率保持线性关系，其中无论那个参数增大一倍，都会造成生产率增高同样的倍数，但此时其他参数必须减小。因此，必须保证三要素组合最佳，依次为前提来合理选择切削用量。具体方法为：首先，尽量选取较大的进给量和较小的切削深度，从而使自激振动变小；其次，尽量采用高速切削或低速切削法来处理加工工件，预防自激振动的产生；再者，如果加工表面的粗糙度满足条件，则可选取较大的进给量以实现对自激振动的有效预防。

3 结语

虽然振动常发生在机械加工过程中，但因其会导致机械加工精确度下降，还会影响到产品质量以及生产效率，所以必须对不同类型的振动进行详细分析，从而制定出具体可行的策略以减少振动。

参考文献

[1]吴舒.机械加工过程中机械振动成因及改善措施研究[J].橡塑技术与装备,2015(24).

[2]刘建新,杨庆玲.机械加工过程中机械振动的成因及解决措施[J].常州工学院学报,2013(01).

[3]睢雪亮,马兆宾.机械加工过程中振动产生的原因及预防措施的探讨[J].职业技术,2015年06期.