浅析机械加工过程中机械振动的成因及措施

（河海大学文天学院，安徽 马鞍山 243000）

【摘要】：在加工过程中，振动现象严重影响了加工零件的生产效率和表面质量。同时，也会造成刀具损坏、噪声污染。因此，分析机械加工中机械振动的原因，并采取相应的措施，对于提高机械加工的质量与效率具有重要的价值。文章分析了机械加工过程中振动产生的原因和特点，并提出了相应的解决措施，为解决机械加工过程中的机械振动现象提供了参考。

【关键词】机械加工；机械振动；振动成因；措施

经济生产过程中，缺少不了各种原材料和设备，所有的过程都是需要进行加工处理的。随着国内机械加工先进水平的不断提高，加工效率和经济效益逐渐增加，为其他领域的发展奠定了基础。但我们不能忽视当前机械的过程中也存在一些问题，特别是振动产生的对机械设备产品以及加工生产的不利影响，还有其造成的严重的噪音污染，不符合当代社会对加工行业的需求。另外，机械振动也造成设备资源的过早损坏，因此应关注机械振动现象，详细探讨其产生的原因，并积极采取相应的措施来改善。

一、机械加工过程中机械振动的原因及特点

（一）自由振动产生的原因

在机械加工中，自由振动是最简单的振动，在机械振动中的比例仅仅只有5%左右。一般情况下，引起机械自由振动的主要原因有以下几个方面：一是，在机械设备加工过程中，切削力突然变化，造成自由振动；二是，加工设备在工作的时候受到外力作用而造成自由振动。

（二）自激振动产生的原因及特点

产生自激振动的原因主要有以下几个方面：其一，在加工过程中，刀屑与刀具、刀具与工件之间的摩擦发生变化，引起自激振动；其二，由于工件内部硬度不均匀，造成刀具崩刀后和加工设备发生自激振荡；其三，加工设备中刀具安装刚性差，导致刀杆颤动而引发自激振荡；其四，机械加工设备加工细长轴等工件，由于其刚性较差，工件表面不可避免的产生波纹或锥度，进而产生自激振荡；其五，由于积屑瘤不稳定，时生时灭，同时刀具前角及切削层横截面积在机械加工时又不断发生改变，这些都会引起自激振动。

相比于與其他类型的振动，自激振动的主要特征如下：一是自激振动的产生不存在周期性外力干扰。二是其产生的振动频率与机械加工系统的某一固有频率接近。三是自激振动在振动时，其本身会导致某种不衰减的周期性变化，振动系统会借助这种周期性变化力，从不具备交变特性的能源中周期性地获得补充能量，以保持振动。振动停止后，这种外力的周期性变化与能量的补充过程均停止。四是自激振动的产生及其振幅的大小取决于每一振动周期内获得的能量与消耗的能量的比值。

（三）强迫振动产生的原因及特点

机械加工过程中强迫振动产生的主要原因有工艺系统内部和外部两方面因素。工艺系统内部因素造成强迫振动的原因：一是离心惯性力引起的振动。在机械加工工艺系统中，电动机的转子、联轴节、皮带轮、砂轮以及被加工的高速回转工件会发生不平衡现象，这种不平衡会产生离心惯性力，从而引发强迫振动，所引发振动频率与这些元件每秒钟的相应转数大致相等。二是机械加工系统传动机构存在缺陷。有些传动中的旋转零件存在制造误差或者装配误差，这些误差会引发周期性的干扰力，导致强迫振动的产生，如，皮带传动中平皮带的接头，轴承滚道尺寸的不均匀等都会引起强迫振动。三是机械加工时存在的间歇特性。当加工件的加工部位与间断部分具有一定的节奏交替时，很容易产生周期性的激振力，从而引发强迫振动，如，铣削、拉削及周边磨损不均匀的砂轮。工艺系统外部因素造成强迫振动的原因：一是地基振动因素，典型的有机械加工现场周围存在引起地基强烈振动，如，空气压缩机、大型冲床、大型锻锤等设备等。二是具有往复运动部件的机械加工设备在加工过程中，液压系统中液压件的冲击现象，运动部件进行换向时产生的惯性力均会引起强迫振动。

强迫振动的特征机械加工中强迫振动的主要特征如下：一是其自身不改变干扰力，与加工过程关系不大，通过相应措施消除干扰力，振动即可停止。二是强迫振动的振动频率与外界周期干扰力频率相近，或者是其频率的整倍数。三是强迫振动产生的干扰力频率在一定条件下很容易与系统自身固有频率发生共振现象，严重影响机械加工过程。四是强迫振动所产生的振幅与干扰力成正比，与刚度及阻尼成反比。五是强迫振动的位移变化比干扰力在相位上滞后一个相位角。

二、机械加工过程中机械振动的改善措施

（一）减少强迫振动的措施

机械加工中产生的强迫振动是由周期性激振力引起，强迫振动的频率总是与干扰力的频率相等或是其倍数，因此消除或者减少这种振动的首要问题是找出振动源。

其一，减小激振力。激振力是由机械加工过程中回转的不平衡质量引起的，减小激振力就是减小因回转元件的不平衡所引起的离心惯性力及冲击力，一是对砂轮、电动机转子及刀盘等600rad/min以上的高速回转元件进行静平衡与动平衡，或者设置自动平衡装置。二是提高传动装置的稳定性，如，机械加工设备所用的传动皮带长短一致、无接头或者少接头、尽量用斜齿轮代替直齒轮、在主轴上安装飞轮、高精度与小功率加工设备使动力源与机床脱 离等措施。三是提高传动的稳定性，改善以联轴器相联的各轴轴心线间的同轴度，从高速轴或主 轴上除去带动润滑油泵的凸轮，同时提高制造精 度和装配质量。

其二，调节振源频率。在机械加工过程中，合理安排加工系统的固有频率，能够有效预防共振现象的发生，其主要措施如下：一是为有效避开系统的固有频率，可以调节激振力频率。二是在设计机械加工设备的结构时，让工艺系统各个部件的固有频率远远大于或者远远小于共振区频率。三是对机械加工设备中的轴承与镶条等部件的间隙加以调整，使其偏离激振频率。四是调节机械加工系统的一些运动参数，有效避免可能产生的强迫振动的振源频率，远离机械加工设备中薄弱模态的固有频率。

其三，增加系统阻尼。增大阻尼是提高动刚度和振动稳定性的有效措施，主要方法是在机床主轴上加装电流变液阻尼器、对滚动轴承适当预紧、将型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的零部件臂中，在机械加工系统中的承受弯曲振动的支承件的表面喷涂一层有高内阻和较高弹性模量的黏性材料等。提高系统结构动刚度的主要方法是提高加工设备的结构件刚度。

（二）自激振动控制措施

自激振动主要影响因素来源于受切削过程中的工艺系统内部，因此对自激振动控制应该从机械加工中的切削用量、刀具几何参数以及切削过程中的阻尼进行控制，减小或消除自激振动。

其一，减小重叠系数。重叠系数对系统再生效应的大小影响很大，因此，通过改变切削用量和刀具几何形状，尽量减小μ值，可提高切削的稳定性。其二，合理选择刀具几何参数。在机械加工中所用的刀具几何参数中，适当地增大前角与主偏角，能减小振动。同时后角要尽量取小。在精加工时，如果切削深度选择较小，后角过小，刀刃不容易切入工件，同时刀具后面与加工表面间的摩擦会加剧，更容易产生自激振动，因此为增大工件和后刀面之间的摩擦阻尼，可在刀具的主后面上磨出一段后角为负的窄棱面。

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