机械加工振动分析及控制

在机械加工过程中出现振动问题，将会直接对产品表面质量产生影响，无法达到专业标准。现在机械加工数字化与智能化水平不断提高，设备工艺也在不断更新，可以更大程度上来提高加工效率与产品质量。但是就实际加工现状来看，因为工件与刀具之间为特定周期性运动，加工时会存在不同程度的振动问题，为消除其对产品造成的影响，必须要采取有效措施进行处理，从根源上来避免问题的发生。

1机械加工振动影响分析

机械加工振动主要包括受迫振动、自动振动以及自激振动三种类型，且发生原因不同，对产品质量以及设备性能等造成的影响也各不相同。其中，受迫振动主要是因为受到系统内外因素干扰，维持一定振幅，对产品质量影响严重，并且控制处理难度大，只要内外干扰因素不完全去除，受迫振动强度将不会减小，产生的影响也依然存在。即便是干扰频率保持稳定不变，在干扰力幅度值不断增加情况下，受迫振动幅度值也会随之增加。自由振动发生则是因为切削力变化明显，产品受到的外部冲击力过大，导致机械加工生产平衡状态被打破，系统仅利用弹性恢复力进行维持。但是因为其可以采取措施处理，使其迅速衰减，对产品与设备产生的影响比较小。自激振动与受迫运动特点相反，其整个过程不存在衰减情况，其振动频率与系统固定系统规律相同，为缓解其影响需要掌握各时间段内所获得以及消耗能量比值，此为自激振动产生的关键因素。无论是哪种类型的振动，在发生后如果不及时采取措施处理，均会对机床设备以及产品质量造成影响。受振动影响，加工时工件与刀具移动，造成产品表面粗糙度增加，甚至会产生划痕，同时还会加速刀具的磨损，缩短机床、夹具服务寿命，并且还会伴随产生噪声，必须要基于不同振动类型发生原因，有针对性的采取措施进行预防，消除振动带来的不利影响。

2机械加工振动问题发生原因

2.1受迫振动。受迫振动产生的原因主要是受到加工系统内外因素的干扰，外界存在持续刺激，并且加工时系统内外交替变化而对产品以及设备产生影响。其中，外部因素可能是受附近机床运行影响，设备安装时间距控制不当，机床或机器之间运行存在较大影响，加工时引起振动，并且可以通过地基进行传播，在预防处理上存在较大难度，因为其在实际生产中是无法完全避免的。而内部因素的存在主要为机床自身电动机振动、高速回旋零件不平衡、机床传动机构自身缺陷等产生的振动。另外如果产品在加工切削环节操作失误均匀性不达标，或者是无法连续作业，也会造成机械振动。机械加工过程中受迫振动干扰存在一定干扰性，并且与一般机械振动中的受迫振动相比差异非常小，可以基于以往经验来制定预防控制方案，最大程度上来降低其对产品加工质量的影响。2.2自由振动。自由振动主要是受到外部环境因素的干扰，切削力变化明显产生冲击，机械加工系统平衡被打破。本质上就是将激励或者约束去除后机械系统产生的振动，与其他类型的振动问题相比，在预防和控制上难度较小，可以取得良好的效果。2.3自激振动。自激振动的产生不会受外力周期性干扰，主要是因为系统内部刺激造成的周期性振动。在机械加工过程中，很多情况下加工刀具会与工件处于相对状态，便会在产品表面上产生明显的振纹，影响产品质量。就机械加工自激振动问题的研究现状来看，并没有统一确定其产生原因，相应的在加工阶段中对控制措施的选择具有更大的灵活性，但是想要获得明显的效果，还需要在现有基础上持续研究。

3机械加工振动控制措施

3.1受迫振动控制对于机械加工过程中产生的受迫振动问题，因为其稳定状态为简谐振动，在消除交变激振力后，系统内所受大的受迫振动将会停止。并且，受迫振动保持与外界激振力频率一致，不受系统固有频。率影响。另外，受迫振动幅值与激振力幅值以及系统动态特性有关，需要进行综合分析。想要消除受迫振动，避免其对加工系统的影响，首先需要确定振源，然后根据实际情况采取相应措施处理。据此可以从以下几个方面来采取措施控制。（1）减小激振力。对于转速超过600r/min的机床零件，如卡盘、砂轮、刀盘以及电动机转子等，需要进行平衡达到降低甚至消除激振力的目的。同时还可以提高链传动、带传动、齿轮传动等传动装置的稳定性，常见的如利用完善带接头胶合平带，或者是利用斜齿轮代替直齿轮等，降低系统换向速度。（2）调整振源频率。在确定系统加工转速时，尽量将引起受迫振动的振源频率远离系统固有频率，以免在加工过程中产生共振加大影响。同时，还应设置减振设备，将消振、减振附件添加到加工系统内，有效吸收或者消除振动能量，降低振动产生的影响，同时还可以在一定程度上抑制自激振动，具有良好的实用效果。（3）隔振措施。对加工系统应用隔振措施，即利用弹性隔振装置对需要防振处理的机床或部件与振源进行有效隔离，通过吸收的大部分振动能量后，减少对系统的影响。常见的如对电动机与机床设置橡胶垫隔离振源，并在机床下安装隔振器，或者是在机床四周开挖隔振沟，并在沟内填充纤维、锯木屑、软木等。另外，还应对加工系统进行优化，提高其刚度与阻尼，增强系统抗振能力。例如提高联接部件接触刚度，应用阻尼较大材料制造相关材料等。3.2自激振动控制。自激振动主要是因为产品切削加工过程中产生颤振造成，其虽然具有不衰减特点，但是当切削工艺停止后，颤振将会随之消失。对其运行特点来看，颤振频率接近于系统固有频率，颤振能否产生以及维持主要受每个振动周期内输入和消耗能量比。基于此在对自激振动进行控制时，可以从以下几个方面来进行。（1）科学确定切削用量。为提高产品加工效率，一般会选择较高的切削速度，在速度为20～70m/min时，系统产生自振的概率大，除去此范围则振动会相对较低，可以根据实际情况来确定切削速度。另外，就以往经验来看，进给量和背吃刀量均与振幅有着密切联系，并且在应用较大进给量与较小背吃刀量时系统颤振最小。（2）提高系统抗振性。加工系统自身具有较高的抗振性能，将会降低自激振动对产品加工结果的影响。因此，可以采取措施来提高系统接触刚度，例如刮研接触面，减少主轴系统轴承间隙，并对滚动轴施加一定预紧力来提高顶尖孔研磨质量。另外，在对细长轴进行加工时，如果工件刚性比较差，很容易因为弯曲变形产生振动，因此需要设置弹性顶尖与辅助支承提高工件抗振性，并且还要利用切削液来减小工件的热膨胀变形。

4结语

机械加工过程中受工艺系统内外因素影响而产生振动，并且振动类型不同产生的原因以及影响差异较大，对其控制措施进行分析，需要确定各类型振动产生原因，从多个方面着手，提高系统抗振性，减少振动问题的发生。

作者:李文博 郑祥东 单位:大庆油田路桥工程有限责任公司

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