机械加工过程中振动问题的研究

朱金华 李旭 王棽

摘要：在航空维修过程中，零备件的表面质量、尺寸精度尤为关键，直接关系到工件的使用性能，航空装备运行的可靠性。由于机械加工过程中振动问题时常发生，造成机械刀具磨损、加工件报废，以及噪音污染等不利影响，大大影响加工的效率。为此加强对机械加工过程中振动产生的原因及控制措施的探讨研究，对保证加工零件质量，提高产品使用性能，具有较好的指导意义。

关键词：机械加工;振动分类;产生原因;控制措施

中图分类号：TH161+.6 文献标识码：A  文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

飞机维修过程中，零备件制造特点是批量少，种类多，机械设备、工装、刀具更换安装频繁。由于机械加工过程中的振动问题，严重影响零备件的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等要求，因此，分析振动原因，找出振动源，采取相应措施来消除和减小振动，是提高加工件质量、保证飞机修理任务完成的重要途径。

在机械加工过程中，系统发生振动是不可避免的，它是一种十分有害的现象，导致系统振动的类型主要有三种：自由振动、强迫振动、自激振动。

1 机械加工振动产生的原因

振动产生的原因复杂多变，结合自身工作实践经验将加工中出现的振动现象、产生原因进行探讨分析。

1.1 自由振动产生的原因

自由振动是较简单的一种振动，主要有两方面原因：

（1）在切削加工时，因其所形成的切削力聚然产生变化，从而引起自由振动。

（2）外界力对正在加工的设备产生冲击，导致自由振动发生。

1.2 强迫振动产生的原因

外界的持续刺激是强迫振动形成的主要因素，其包括内部、外部两个方面。

1.2.1 工艺系统内部的因素

（1）惯性离心力引起的振动。工艺系统中高速回转体，如卡盘、电动机的转子、联轴器、砂轮、皮带轮等转动不平衡，产生惯性离心力，从而引发强迫振动。

（2）机床的传动机构缺陷。工艺系统中有些传动的部件存在加工精度偏差、装配精度偏差，而导致周期性的干扰力，致使发生强迫振动。

（3）加工过程中存在的间歇特性。加工件在切削过程中与间断位置要有节奏的进行交替，就会产生干扰力，引起振动。

1.2.2 工艺系统的外部因素

（1）地基的振动。正在进行加工的机床通过附近的振动源经过地基传入，从而导致工艺系统的振动，象锻锤、冲床等大型设备。

（2）部附件产生惯性力而引起的振动。机械设备含往复运动部件的在加工中，如进行换向时的运动部件所形生的惯性力，均会导致强迫振动。

1.3 自激振动产生的原因

自激振动的产生主要来源于特定的系统内部。

1.3.1 工件安装夹紧不牢

像铸造、锻造、电焊切割等外形不规则工件，基准面较差，不便于安装，夹紧时受力不均匀，在切削中较易产生松动，切削力变化时，而导致振动。

1.3.2 金属内部切削层硬度不匀实

如補焊后的工件、铸造件等硬度不均匀缺陷，切削时造成刃具崩刃及设备自振现象。

1.3.3 摩擦力产生变化

切削过程中，刀具与切屑、工件之间产生的摩擦力改变时，均会引起自激振动。

1.3.4 切削用量不合理引起振动

切削用量选择不合适，造成工件与刀具的不平衡量加大或径向切削力过大，切削宽而薄的切削易引起振动。

1.3.5 积屑瘤的产生

在切削过程中，刀具几何参数、切削层横截面积随时生时灭的积屑瘤不断发生变化，导致切削力不平稳。

1.3.6 工艺系统的刚性差

工艺系统中，刚度与系统固有频率成正比，刚性较差时，固有频率也降低，易产生共振。

（1）刀具刚性差。如刀杆离固定点悬伸太长、受工件影响直径尺寸小，安装不规范，促使刀杆颤动。

（2）工件刚性差。如加工长筒薄壁件、细长杆等刚性较差工件，容易导致加工表面出现波纹、锥度。

2 机械加工振动产生的影响

在切削过程中引起的振动，对加工质量、效率以及使用性能产生较大影响。

2.1 降低加工质量

2.1.1 加工表面的质量降低

加工中，当振动频率较低时，工件表面会有不均匀的波度产生，振动频率较高时，会导致加工表面粗糙度值大。

2.1.2 刀具使用性能降低

振动的产生，改变了刀具正常切削条件，加速刀具磨损，造成切削刃的崩裂，导致刀具刃具的使用寿命降低。

2.2 降低效率

2.2.1 生产效率降低

振动的产生，限制了切削用量的提升，较为严重的是导致切削过程无法正常进行，降低加工的生产效率。

2.2.2 工作效率降低

振动过程形成的刺耳噪声，造成作业人员的身心健康遭到损害，影响生产进度，工作效率降低。

2.3 降低工装使用性能

加工过程中形成的振动，使机床与夹具等一些机件的连接部位配合精度下降，出现松动现象，导致精度与刚度降低，加快机床零件的磨损，降低机床使用寿命。

2.4 降低工件使用性能

2.4.1 工件表面粗糙度的影响

工件表面的直线度主要是由表面粗糙度值决定的，当粗糙度值大的两个零件相互配合、摩擦时，实际接触面积非常小，造成在单位面积上所承受的压力会非常大，表面的凸峰就被压扁，导致间隙产生，造成配合精度降低。工件表面粗糙度值大耐腐蚀性也较差，部分腐蚀性物质会进入表面凹谷中，使腐蚀性逐渐扩大，影响使用性能。

2.4.2 冷作硬化的影响

加工件表面冷作硬化层如果很深，程度较大，从而温度变高，时间变长，塑性变形会发生剧烈变化，导致工件表面产生一些裂纹，使工件的配合运行强度下降，使用性能受到影响。

3 机械加工振动的控制措施

通过大数据统计，振动产生的比率为：强迫振动约占30%，自激振动约占65%，自由振动占5%。自由振动一般情况下迅速衰减，影响极小。而其余类型的振动在切削中不能自然衰减，产生较大危害。因此，降低机械振动的关键在于降低强迫振动、自激振动。

3.1 降低强迫振动的措施

3.1.1 降低振源的激振力

（1）高速回转体零件运行时，必须满足动平衡要求。对转速600r∕min以上的零部件，如电动机转子、卡盘、砂轮等必须作平衡试验。

（2）提高机床传动装置、元件的加工精度，保证传动平稳。如提高主轴、卡盘、齿轮、皮带轮、轴承等加工精度、装配精度，减少因制造误差引起的振动。

3.1.2 增加工艺系统刚度和阻尼

增加振动系统的刚度和阻尼，是提升工艺系统振动稳定性的有效措施。可用提高接触面精度、提高接触刚度，在设备的主轴上安装阻尼器等手段，来提高抗振性能，增强稳定性。

3.1.3 采用隔振及减振措施

在振动路线中安装具备弹性性能的隔振装置，使振源产生的部分振动被隔振装置所吸收或隔离。比如将电动机与床身采用柔性联接方式，减小电动机振动;将设备安置在防振地基上，用木材、橡皮垫等隔振材料将设备与地面隔离。用减振沟分离设备基础与周边振动源的联系，从而降低振动的发生。

3.1.4合理规化工作场所

精密设备、仪器安装时，尽可能同往复运动、粗加工设备分开布局。尽量减少周边环境对精密设备、仪器的影响。

3.2 降低自激振动的措施

3.2.1合理选择装夹方法

工件装夹时，夹紧点要选接触面积大、刚性好、变形小的部位。尽量靠近工件承受切削力大的部位，减小因力矩的作用产生变形，从而引起振动。

3.2.2 正确选择切削用量

切削时，切削用量三要素与金属切削率是线性关系。尽可能选取较大的进给量与较小的切削深度;对工件精度如要求不高进，可采用高速切削或低速切削，避免自激振动;在确保表面粗糙度符合标准时，应采用较大的进给量来预防自激振动。

3.2.3 合理选择刀具的几何参数

切削中，所有的刀具几何参数，对自激振动影响最大的是前角和主偏角。前角与切削力成反比，前角越大，振幅越小;同样主偏角與振幅也成反比，主偏角增大到90度，所产生的振幅最小。为减小振动要适当地增大主偏角、前角，尽量取小的后角;精加工时，在主偏角后面磨出一小段后角为负的窄棱面，把新刃磨的刃口用油石磨钝，选用圆弧半径较小的刀尖。

3.2.4提高工艺系统抗振性

提高工艺系统的接触刚度，即可有效提高机械系统的稳定性。如提高顶尖孔的加工质量、调整系统元件的配合间隙;细长杆加工中，尽量缩短刃具、刀杆的悬伸量;深孔加工时镗杆安装导向块;尽量使用工装来辅助增加接触刚度，以起到减振效果。

4 结语

振动产生的原因在机械加工中是多方面的，错综复杂。在实际工作中，只有认真地进行详细探讨研究，掌握切削过程中产生振动的基本类型，准确找出产生振动的原因，才能采取有效措施来控制和消除振动的发生，保证加工件质量，确保飞机可靠性维修，为飞行安全奠定坚实的基础。

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收稿日期：2019-07-05

作者简介：朱金华（1964—），男，山东德州人，本科，高级工程师，主要从事机械设计、航空修理工作。