机械加工中的振动问题分析及其控制措施探讨
2022-06-09
制造企业在进行零件的机械加工中往往会遇到不同程度的振动问题，振动问题对机械加工的影响程度大小不一，但是都会对加工生产的产品及生产效率产生不良影响，制造企业一般将机械加工定义为有害于加工质量的现象。假如机械加工中出现了振动问题，加工工件与刀具都会发生不同程度的位移，位移导致零件表面的划痕，大大降低了产品的生产质量和性能；机械加工中出现的振动也会使刀具受到振动带来的附加压力，导致刀具磨损程度加深，严重时则会出现崩刃现象；机械加工中出现的振动也会使生产加工的夹具、机床等工具发生结构松动，增加工具构件之间的空隙，一定程度上减轻生产精度和刚度，减少工具的应用生命，严重情况下的振动问题会导致切削加工停止；机械加工中出现的振动还会对技术人员造成不同程度的身体伤害。为了避免机械加工中振动问题的出现，制造企业很多情况下选择减轻切削量，延长了加工生产的工期，降低了零件的生产效率。针对上述问题，机械加工中的振动问题分析及其控制措施探讨显得十分必要。
一、机械加工振动类型
常见的机械加工振动有三种，即自由振动、受迫振动、自激振动。自由振动比较容易理解，一般是由于外界干扰力发生的振动，外界干扰力将系统的平衡力破坏，就会出现不同程度的弹性造成的振动。制造企业的机械加工系统自身具有一定阻尼，因此，自由振动会相对减弱，不会对机械加工产生过多的负面影响，属于机械加工振动中影响最小的一种振动。而不同于自由振动，受迫振动和自激振动本身不能靠系统自身减弱振动，相反会对机械加工产生严重影响，本文接下来将对受迫振动及减振措施和自激振动及减振措施进行详细的分析和探讨。
二、受迫振动及减振措施
2.1受迫振动产生的原因
机械加工中受迫振动产生是因为加工系统在周期性的干扰力干扰下产生的一种持续性振动现象。这里说的周期性干扰力可以是来自于系统内部，也可以来自于外部。比如系统内部出现的周期性干扰力有以下：因为加工运动中的断续切削及反复惯性运动产生的冲击力引发的振动，齿轮、砂轮等高速回转零件的质量不过关引发不同程度的离心力带来的振动等。系统外部的周期性干扰力有以下：由于地基对正在进行加工的机械的影响造成的振动，系统周围其他正在运行的机械带动的振动，机械加工中出现的不可抗拒因素带来的振动等。受迫振动产生的原因一般有以上，还有些因素也会引起受迫振动的产生，但不是主要影响因素，本文不作详细阐述。
2.2受迫振动的特性
首先，受迫振动属于稳态过程，同时也属于间歇过程，交变激振力发生时就会产生振动，当交变激振力消失时，振动也会停止。其次，受迫振动产生的振动频率与受到外界因素影响时产生的激振力频率是一致的，两种频率与系统本身的频率都没有任何联系。再次，受迫振动的振幅程度与激振力的振幅程度有联系，此外，还与机械加工采用的工艺系统自身的动态性能有一定联系。
2.3减少受迫振动的有效措施
受迫振动多数是由于外界的周期干扰力影响才会产生，若要减轻受迫振动就应该从根源着手寻找振源，并采取科学合理的措施进行振动控制。
首先，应减少激振力。对于卡盘、刀盘、砂轮及电动机转子这些高速运行零件，需要调整平衡来减少振动。还要提高齿轮传动、带传动、链传动和其余传动设备的平稳性，比如用完整的无接头胶合平皮带，并且将直齿轮换成人字齿轮或者斜齿轮，采用合理措施降低加工运行的速度，将加工的机床主体和动力分开放置。
其次，调整振频源频率。机械加工过程中会进行转速选择，此时需要避免由电机转速频率引起的受迫振动与系统频率产生共同振动。
再次，提高机械工艺刚度和阻尼。作为减少受迫振动的一项基本措施，将加工工艺系统刚度和阻尼进行提高是制造企业必须要做到的。比如将连接部位的刚度进行提高，将滚动轴承之间的空间缩小，并且尽量用阻尼大的材料进行零件的制造，以拥有更好性能。
最后，采用隔振措施。隔振措施的原理是运用具有弹性的隔振设施将进行机械加工的机床同振源隔离开，缓解加工进行中产生的振动，比如采用常用的橡胶垫将进行机械加工的机床同振源隔离开，机床周边挖掘减振的隔振沟，在沟内部填充软木、木屑等，将液压站、电机等放在离机床较远地方。除此之外，还有减震装置的利用，即上述方式不能起到减振的良好效果时，就可以将减震装置安置在加工工艺系统中，用以实现减振的目的。
三、自激振动及减振措施
3.1自激振动产生的原因
机械加工过程中经常会进行切削加工等工序，在没有周期性干扰力时，加工时所用的工件及刀具本身就会产生较大振动，并且这些振动会在零件上面形成不同的痕迹，影响产品的整体美观。上述情况是由于机械加工中振动系统自身的交变力引发的持续振动，叫做自激振动，或者是颤振。国内外不少专家学者对自激振动产生的原因进行了大量研究，也均取得了不错的成绩，现有的说服力较强的学说有再生振颤学说、负摩擦激振学说及坐标联系学说。但因为振动原理及振动缘由说法不一，自激振动产生的原因至今为止未能有一个统一说法。
3.2自激振动的特性
首先，自激振动不属于衰减类型的振动，这是自激振动不同于上述受迫振动的明显标志，当切削工作进行时自激振动产生，切削停止，自激振动也会停止。其次，自激振动所产生的频率与周围系统具有的频率一致。再次，自激振动所消耗的能量以及周期会影响到自激振动的产生和持续。
3.3减少自激振动的有效措施
首先，合理选用切削量。制造企业进行机械加工时，切削速度在一定范围内会出现自振现象，高于范围与低于范围都会影响振动程度。在不影响加工效率的情况下应该合理选用切削量，选用较小切削深度及较大量来减轻自激振动。
其次，合理选用刀具几何参数。机械加工时所用刀具会被主偏角与前角所影响。一般情况下，机械加工中需要把握好刀具几何参数用以减少切削程度，将刀具后角减小，会达到不错的减振效果。
再次，将机械加工工艺的抗震性能提高。机械加工中的工艺所具有的抗振性能会影响自激振动，因此，要将机械加工工艺的抗震性能提高就必须要将系统的接触刚度提高，比如进行系统接触面的刮研等。
一、机械加工振动类型
常见的机械加工振动有三种，即自由振动、受迫振动、自激振动。自由振动比较容易理解，一般是由于外界干扰力发生的振动，外界干扰力将系统的平衡力破坏，就会出现不同程度的弹性造成的振动。制造企业的机械加工系统自身具有一定阻尼，因此，自由振动会相对减弱，不会对机械加工产生过多的负面影响，属于机械加工振动中影响最小的一种振动。而不同于自由振动，受迫振动和自激振动本身不能靠系统自身减弱振动，相反会对机械加工产生严重影响，本文接下来将对受迫振动及减振措施和自激振动及减振措施进行详细的分析和探讨。
二、受迫振动及减振措施
2.1受迫振动产生的原因
机械加工中受迫振动产生是因为加工系统在周期性的干扰力干扰下产生的一种持续性振动现象。这里说的周期性干扰力可以是来自于系统内部，也可以来自于外部。比如系统内部出现的周期性干扰力有以下：因为加工运动中的断续切削及反复惯性运动产生的冲击力引发的振动，齿轮、砂轮等高速回转零件的质量不过关引发不同程度的离心力带来的振动等。系统外部的周期性干扰力有以下：由于地基对正在进行加工的机械的影响造成的振动，系统周围其他正在运行的机械带动的振动，机械加工中出现的不可抗拒因素带来的振动等。受迫振动产生的原因一般有以上，还有些因素也会引起受迫振动的产生，但不是主要影响因素，本文不作详细阐述。
2.2受迫振动的特性
首先，受迫振动属于稳态过程，同时也属于间歇过程，交变激振力发生时就会产生振动，当交变激振力消失时，振动也会停止。其次，受迫振动产生的振动频率与受到外界因素影响时产生的激振力频率是一致的，两种频率与系统本身的频率都没有任何联系。再次，受迫振动的振幅程度与激振力的振幅程度有联系，此外，还与机械加工采用的工艺系统自身的动态性能有一定联系。
2.3减少受迫振动的有效措施
受迫振动多数是由于外界的周期干扰力影响才会产生，若要减轻受迫振动就应该从根源着手寻找振源，并采取科学合理的措施进行振动控制。
首先，应减少激振力。对于卡盘、刀盘、砂轮及电动机转子这些高速运行零件，需要调整平衡来减少振动。还要提高齿轮传动、带传动、链传动和其余传动设备的平稳性，比如用完整的无接头胶合平皮带，并且将直齿轮换成人字齿轮或者斜齿轮，采用合理措施降低加工运行的速度，将加工的机床主体和动力分开放置。
其次，调整振频源频率。机械加工过程中会进行转速选择，此时需要避免由电机转速频率引起的受迫振动与系统频率产生共同振动。
再次，提高机械工艺刚度和阻尼。作为减少受迫振动的一项基本措施，将加工工艺系统刚度和阻尼进行提高是制造企业必须要做到的。比如将连接部位的刚度进行提高，将滚动轴承之间的空间缩小，并且尽量用阻尼大的材料进行零件的制造，以拥有更好性能。
最后，采用隔振措施。隔振措施的原理是运用具有弹性的隔振设施将进行机械加工的机床同振源隔离开，缓解加工进行中产生的振动，比如采用常用的橡胶垫将进行机械加工的机床同振源隔离开，机床周边挖掘减振的隔振沟，在沟内部填充软木、木屑等，将液压站、电机等放在离机床较远地方。除此之外，还有减震装置的利用，即上述方式不能起到减振的良好效果时，就可以将减震装置安置在加工工艺系统中，用以实现减振的目的。
三、自激振动及减振措施
3.1自激振动产生的原因
机械加工过程中经常会进行切削加工等工序，在没有周期性干扰力时，加工时所用的工件及刀具本身就会产生较大振动，并且这些振动会在零件上面形成不同的痕迹，影响产品的整体美观。上述情况是由于机械加工中振动系统自身的交变力引发的持续振动，叫做自激振动，或者是颤振。国内外不少专家学者对自激振动产生的原因进行了大量研究，也均取得了不错的成绩，现有的说服力较强的学说有再生振颤学说、负摩擦激振学说及坐标联系学说。但因为振动原理及振动缘由说法不一，自激振动产生的原因至今为止未能有一个统一说法。
3.2自激振动的特性
首先，自激振动不属于衰减类型的振动，这是自激振动不同于上述受迫振动的明显标志，当切削工作进行时自激振动产生，切削停止，自激振动也会停止。其次，自激振动所产生的频率与周围系统具有的频率一致。再次，自激振动所消耗的能量以及周期会影响到自激振动的产生和持续。
3.3减少自激振动的有效措施
首先，合理选用切削量。制造企业进行机械加工时，切削速度在一定范围内会出现自振现象，高于范围与低于范围都会影响振动程度。在不影响加工效率的情况下应该合理选用切削量，选用较小切削深度及较大量来减轻自激振动。
其次，合理选用刀具几何参数。机械加工时所用刀具会被主偏角与前角所影响。一般情况下，机械加工中需要把握好刀具几何参数用以减少切削程度，将刀具后角减小，会达到不错的减振效果。
再次，将机械加工工艺的抗震性能提高。机械加工中的工艺所具有的抗振性能会影响自激振动，因此，要将机械加工工艺的抗震性能提高就必须要将系统的接触刚度提高，比如进行系统接触面的刮研等。