机械加工过程中的振动和防止方法

摘要：机械加工过程中的振动会恶化加工表面质量，损坏切削刀具，降低生产率。本文着重介绍振动的两种类型，振动产生的原因及消除方法。

关键词：机械加工 振动原因 防止方法

0 前言

振动是在机械加工过程中，因机床工件或刀具发生周期性的跳动。加工过程中如发生振动，会使工件已加工表面上出现条痕或布纹状痕迹，使表面光洁度显著下降，还会使机床、夹具中的连接零件松动，缩短机床使用寿命，影响工件在夹具中的正确定位。此外，由于振动，势必降低切削速度，损坏切削工具，降低生产率，造成噪声污染。

1 机械加工振动的表现和特点

振动分强迫振动和自激振动两种类型。具体表现和特点如下。

1.1 强迫振动 强迫振动是物体受到一个周期变化的外力作用而产生的振动。如在磨削过程中，由于电动机、高速旋转的砂轮及皮带轮等不平衡，三角皮带的厚薄或长短不一致，油泵工作不平稳等，都会引起机床的强迫振动，它将激起机床各部件之间的相对振动幅值，影响机床加工工件的精度，如粗糙度和圆度。对于刀具或做回转运动的机床，振动还会影响回转精度。

强迫振动的特点是：①强迫振动本身不能改变干扰力，干扰力一般与切削过程无关（除由切削过程本身所引起的强迫振动外）。干扰力消除，振动停止。如外界振源产生的干扰力，只要振源消除，导致振动的干扰力自然就不存在了。②强迫振动的频率与外界周期干扰力的频率相同，或是它的整倍数。③干扰力的频率与系统的固有频率的比值等于或接近与1时，产生共振，振幅达到最大值。此时对机床加工过程的影响最大。④强迫振动的振幅与干扰力，系统的刚度及阻尼大小有关。干扰力越大、刚度及阻尼越小，则振幅越大，对机床的加工过程影响也就越大。

1.2 自激振动（颤振） 由振动系统本身在振动过程中激发产生的交变力所引起的不衰减的振动，就是自激振动。即使不受到任何外界周期性干扰力的作用，振动也会发生。如在磨削过程中砂轮对工件产生的摩擦会引起自激振动。工件、机床系统刚性差，或砂轮特性选择不当，都会使摩擦力加大，从而使自激振动加剧。或由于刀具刚性差、刀具几何角度不正确引起的振动，都属于自激振动。

自激振动的特点是：①自激振动的频率等于或接近系统的固有频率。按频率的高低可分为高频颤振（一般频率在500～5000Hz）及低频颤振（一般频率为50～500Hz）。②自激振动能否产生及其振幅的大小，决定于每一振动内系统所获得的能量与阻尼消耗能量的对比情况。③由于持续自激振动的干扰力是由振动过程本身激发的，故振动中止，干扰力及能量补充过程立即消失。

2 振动产生的原因分析

产生振动的原因复杂多变，根据机加工行业出现的振动现象及两种不同类型振动的表现形式，分析原因，大致如下：

2.1 强迫振动产生的原因：①机床上回转件不平衡所引起的周期性变化的离心力。如由于电机或卡盘、皮带轮回转不平衡引起的。②机床传动零件缺陷所引起的周期性变化的传动力。如因刀架、主轴轴承、拖板塞铁等机床部件松动或齿轮、轴承等传动零件的制作误差而引起的周期性振动。③切削过程本身不均匀性所引起的周期性变化的切削力。如车削多边形或表面不平的工件及在车床上加工外形不规则的毛坯工件。④往复运动部件运动方向改变时产生的惯性冲击。如平面磨削过程的方向改变或瞬时改变机床的回转方向。⑤由外界其他振源传来的干扰力。在锻造车间附近，因空气锤的振动引起其他机床的强迫振动，甚至共振。

2.2 自激振动产生的原因:①切削过程中，切屑与刀具、刀具与工件之间摩擦力的变化。②切削层金属内部的硬度不均匀。在车削补焊后的外圆或端面而出现的硬度不均现象，常常引起刀具崩刀及车床自振现象。③刀具的安装刚性差，如刀杆尺寸太小或伸出过长，会引起刀杆颤动。④工件刚性差。如加工细长轴等刚性较差工件，会导致工件表面出现波纹或锥度。⑤积屑瘤的时生时灭，时切削过程中刀具前角及切削层横截面积不时改变。⑥切削量不合适引起的振动，切削宽而薄的切削易振动。

3 防止和消除振动的方法

3.1 消减强迫振动的措施:①对高速回转（600r/min以上）的零件进行平衡（静平衡和动平衡）或设置自动平衡装置。或采用减振装置。②调整轴承及镶条等处的间隙，改变系统的固有频率，使其偏离激振频率；调整运动参数，使可能引起强迫振动的振源频率，远离机床加工薄弱模态的固有频率。③提高传动装置的稳定性，如在车床或磨床上采用少接头、无接头皮带，传动皮带应选择长短一致。用斜齿轮代替直齿轮，在主轴上安装飞轮等。④在精密磨床上用叶片泵代替齿轮泵，在液压系统中采用缓冲装置等以消除运动冲击。⑤将高精度机床的动力源与机床本体分置在两个基础上以实现隔振。常用的隔振材料及隔振器有橡胶隔振器、泡沫橡胶、毛粘等。⑥适当选择砂轮的硬度、粒度和组织，适当休整砂轮，减轻砂轮堵塞，减少磨削力的波动。⑦按均匀铣削条件适当选择铣刀直径，齿数和螺旋角；增加铣刀齿数；以顺铣代替逆铣；采用等距刀齿结构，破坏干扰力的周期性。⑨刮研接触面，提高接触刚度；采用跟刀架、中心架等增强工艺系统刚度。选择较好的砂轮架导轨形式⑨采用粘结结构的基础件及薄壁封砂结构的床身等，增加阻尼，提高抗振能力。⑩隔离外来振动的影响，采取隔振措施，如在磨床砂轮电动机底座和垫板之间垫上具有弹性的木版或硬胶皮等。

3.2 消减自激振动的措施：①调整振动系统小刚度主轴的位置，使其处于切削力F与加工表面的法线方向的夹角范围之外，如镗孔时采用削扁镗杆，车外圆时，车刀反装。②通过改变切削用量和刀具几何形状，减小重叠系数，如采用直角偏刀车外圆。③减小切削速度，增大进给、主偏角、前角；④适当提高切削速度；改善被加工材料的可加工性。⑤增加切削阻尼；适当减小刀具的后角；在后刀面上磨出消振棱；适当增大钻头的横刃；适当使刀尖高于（车外圆）、低于（樘内孔）工件中心线，以获得小的工作后角。为消减刀具的高频振动，宜增大刀具的后角和前角。⑥调整切削速度，避开临界切削速度。在切断、车端面或使用宽刃刀具、成形刀具和螺纹刀具时，宜取切削速度小于临界切削速度。纵车和切环形工件端面时，切削速度大于临界切削速度等。⑦提高工艺系统刚度，可提高抗振性。车刀安装时不宜伸出过长，镗刀尽可能选得短而粗；尽量缩短尾座套筒的伸出长度；加工细长轴时，采用中心架或跟刀架，或用主偏角很大的细长轴车刀来消除振动。⑧尽可能不采用容易产生积屑瘤的切

削速度。⑨采用合适的切削用量。可采用减少切削宽度，同时增加切削厚度。

4 结束语

机械加工过程产生的振动非常复杂，是需要日常的不断分析和总结，根据不同情况分析原因，采取措施加以消除和控制，以保证加工工件的质量要求，提高生产率，创造良好工作环境。

参考文献

[1] 《机械设计手册》，机械工业出版社

[2] 《机械加工手册》，机械工业出版社

[3] 机械工人切削技术手册》，机械工业出版社

[4] 《机修手册》，机械工业出版社