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機械加工中振動的類型及特點

機械加工中振動的基本類型有兩種，即強迫振動和自激振動。這兩種振動都是不衰減振動，危害很大。在切削加工過程中，還會出現(xiàn)自由振動。它是由切削力突然變化或其他外界沖擊等原因引起的。但這種機械加工振動很快會衰減。因此，對切削加工過程的影響不大。

1.強迫振動

強迫振動是在外界周期性干擾力的作用下產(chǎn)生的振動。
強迫振動的周期和頻率等都由外力決定。強迫振動可能是周期性的振動，也可能是非周期性的振動，這要由干擾力來決定.
消除或減弱強迫振動的途徑如下：
a.消除或盡量減小干擾力；
b.采取隔離措施，使干擾力不傳到機械加工系統(tǒng)中；
c.增大系統(tǒng)剛度和阻尼，避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

2.自激振動

自激振動是機械加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一種振動。由振動過程本身引起某種切削力的周期性變化，又由這個周期性變化的切削力，反過來加強和維持振動，使振動系統(tǒng)補充了由于阻尼作用而消耗的能量。這種類型的振動，稱為自激振動。
當(dāng)振幅為某一值時，如果獲得的能量大于所消耗的能量，則振幅不斷加大；相反，則振幅減小。振幅的增大或減小，直到能量平衡時為止。
減弱或消除自激振動的方法如下：
a.減小振動系統(tǒng)獲得的能量；
b.減小切削力和增大系統(tǒng)剛度。

減小振動與提高機械加工穩(wěn)定性的措施

減小振動，提髙切削加工的穩(wěn)定性,可采取以下措施。

1.合理選擇切削用量

a.切削速度的選擇

圖1 切削速度與振幅的關(guān)系曲線

圖1所示為車削中碳鋼時切削速度對振幅的影響。
當(dāng)切削速度在20-60m/min時，容易產(chǎn)生自振，相應(yīng)的振幅為最大。在一定的切削速度下，有時易產(chǎn)生自激振動；而切削速度高于或低于此范圍，則振動減弱。因此，為了避免切削時產(chǎn)生自振，實現(xiàn)穩(wěn)定切削，切削速度應(yīng)在低速或髙速范圍內(nèi)選擇。

b.進(jìn)給量的選擇
如圖2所示，隨著進(jìn)給f的增大，振幅A下降，振動減弱，機械加工工藝系統(tǒng)變得不易產(chǎn)生自振。但f增加后會影響工件的表面粗糙度。因此，在加工時，應(yīng)在粗糙度的許可條件下，選取較大的進(jìn)給量。

圖2 進(jìn)給量與振幅的關(guān)系曲線
c.切削深度的選擇
如圖3所示，隨著切削深度a的增加，振幅A也增大，振動加劇。

圖3 切削深度與振幅的關(guān)系曲線

為減小振動,可減小a，但會導(dǎo)致生產(chǎn)率下降。因此，應(yīng)綜合考慮切削深度a和進(jìn)給量f對切削穩(wěn)定性的影響。

2.合理選擇刀具的幾何參數(shù)

合理選擇切削刀具的幾何參數(shù)，是保證穩(wěn)定切削的重要措施。

3.提高機械加工工藝系統(tǒng)的抗振性

提髙機械加工工藝系統(tǒng)的抗振能力,是減小切削加工過程振動的最基本措施。一般可采取下述措施：
A.改善數(shù)控加工機床結(jié)構(gòu)以提髙抗振性
機床的抗振性在整個數(shù)控加工工藝系統(tǒng)的抗振性中占主導(dǎo)地位。要提高機床的抗振性，就是要提高數(shù)控加工機床的動剛度，特別是要提高在振動中起主振作用的部件（如主軸組件、刀架部件和尾座部件等）和基礎(chǔ)部件（如床身、立柱和橫粱等）的動剛度。
a.改善數(shù)控加工機床的制造和裝配質(zhì)量。增大數(shù)控加工機床結(jié)構(gòu)的阻尼，就可以增大機床結(jié)構(gòu)的動剛度，從而提高機床的抗振性。一般單一零件，如床身、主軸等 的阻尼系數(shù)為0.001~0.02，而裝配好的主軸組件的阻尼系數(shù)為0.02~0.05，刀架、溜板和床身系統(tǒng)的阻尼系數(shù)為0.1~0.2。
b.采用"薄壁封砂"結(jié)構(gòu)。在床身結(jié)構(gòu)設(shè)計中，有的機床將型砂、泥芯密封在床身的空腔內(nèi),使抗振性顯著提高。
c.增加數(shù)控加工機床的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在激振力頻率比固有頻率大很多時，可考慮增加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量來提高數(shù)控加工機床在受迫振動下的動剛度。

B.合理安排機械加工機床各部件的固有頻率
機床是一個多自由度的振動系統(tǒng)，其各質(zhì)量部分運動的相互影響將決定著系統(tǒng)的振動。因此，合理安排數(shù)控加工機床各零部件的固有頻率，將有助于提髙數(shù)控加工機床的抗振性。
a.主軸箱部件、刀架-溜板部件或尾座部件等數(shù)控加工機床上被支承部件的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離床身、立柱等支承零件的固有頻率；否則，床身、立柱振動時，主軸箱或刀架-溜板箱等會減少床身、立柱的振動,但它們本身的振動卻大大增加。
b.數(shù)控加工機床各部件的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離傳動系統(tǒng)帶來的干擾頻率。
c.主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能避免切削不穩(wěn)定區(qū)域。

C.增強機械加工機床與地基之間的聯(lián)結(jié)剛度
機床與地基之間的聯(lián)結(jié)情況，對數(shù)控加工機床的動剛度有明顯影響。如把數(shù)控加工車床安裝在不同的基礎(chǔ)上的試驗，就可觀測到：當(dāng)安放在橡皮墊上時，因系統(tǒng)固有 頻率很低，振幅很大，引起的系統(tǒng)共振頻率就很低,若安裝在瀝青澆灌的基礎(chǔ)上,則共振頻率較高,振幅較小;安放在水泥基礎(chǔ)上則情況更好。此外,對于同樣的安 裝基礎(chǔ)，地腳螺釘?shù)呐渲煤途o固穩(wěn)妥都會直接影響數(shù)控加工機床的動剛度。對于髙速運轉(zhuǎn)或往復(fù)運動沖擊慣性大的機床來說,增強數(shù)控加工機床與地基之間的聯(lián)結(jié)剛 度尤為重要。
D.增強工件及工件支承件的剛度
細(xì)長件、薄壁件等剛性較差的零件加工時，容易產(chǎn)生振動。在這種情況下，工件及其支承件往往是整個機械加工工藝系統(tǒng)引起振動的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在加工細(xì)長軸時，工件愈細(xì)長，剛度就愈差，愈容易引起振動。在車削細(xì)長軸時，可采用中心架或跟刀架；加工薄壁盤形零件時一般可采用雙面車床，以減少變形和振動。
E.增強刀具及刀具支承件的剛度
同工件及工件支承件的剛度一樣，刀具及刀具支承件（刀桿）的剛度也會成為整個機械加工工藝系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)而影響切削的穩(wěn)定性。如懸臂鏜削時鏜桿剛度越高，發(fā)生切削自振對應(yīng)的切削速度也越髙。

4.消除或減少切削過程的干擾源

切削過程中各種干擾源的影響，主要是使系統(tǒng)產(chǎn)生強迫振動。當(dāng)干擾源的頻率和某零部件的固有頻率相近時，就要產(chǎn)生共振,使系統(tǒng)的振動加劇.
A.來自機械加工機床的干擾振源
a.數(shù)控加工機床回轉(zhuǎn)組件的質(zhì)（重）量不平衡；
b.由齒輪嚙合不良《沖擊）引起的振動；
c.主軸滾動軸承的振動；
d.數(shù)控加工機床電動機的振動:
e.傳動皮帶的振動。

B.來自工件的干擾振源
工件回轉(zhuǎn)時的不平衡、加工表面不連續(xù)、材質(zhì)和加工余量不均勻都會引起切削力的變化，產(chǎn)生振動。
C.來自刀具的干擾振源
例如銑削時，由一圈均布的刀齒數(shù)目造成的不連續(xù)切削，引起周期性的切削沖擊搌動。沖、擊將成為干擾源，同時也引起工藝系統(tǒng)其他零部件的自由振動。

5.采用減振裝置

如果不能從根本上消除產(chǎn)生機械加工機械振動的條件，又不能有效地提高機械加工工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性，那么為了保證加工質(zhì)量，但又不希望采用降低切削用量而使生產(chǎn)率下降，就需要采用減振裝置。
a.摩擦式減振裝置
這類減振裝置是利用固體或液體的摩擦阻尼來消耗振動的能量的。它常用來減小機械加工機床傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動，一般安裝在速度高、振幅大的部位。

圖4 慣性圓盤式減振器
例如，如圖4所示的慣性圓盤式減速器的工作情況如下:慣性圓盤在封閉的殼體內(nèi)可以繞光滑耐磨的襯套轉(zhuǎn)動。在環(huán)形殼體和慣性圓盤的徑向和側(cè)向間隙中充滿著粘 性較大、化學(xué)性能穩(wěn)定的硅油。使用時,將減振器的殼體與扭振軸固聯(lián),使其隨之產(chǎn)生扭搌.在振動過程中，慣性圓盤的運動總是滯后于殼體的運動，由于這種相對 運動的出現(xiàn)，間隙中硅油的粘滯性阻尼就能減弱系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動的作用。為了得到合適的硅油的粘度可摻入其他油來調(diào)制。

b. 沖擊式減振裝置
沖擊式減振裝置是由一個與振動系統(tǒng)剛性聯(lián)結(jié)的殼體和一個在殼體內(nèi)自由沖擊的質(zhì)量所組成。當(dāng)系統(tǒng)振動時，由于自由質(zhì)量反復(fù)沖擊殼體消耗了振動的能量，因而可以顯著減小振動。
沖擊式減振裝置雖有因碰撞產(chǎn)生噪聲的缺點，但由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、體積小,在某些條件下減振效果好，以及在較大的頻率范圍內(nèi)都適用的優(yōu)點，所以應(yīng)用較廣。特別適用于減小高頻振動的振幅。

c.動力減振裝置
動力減振裝置是用彈性元件把一個附加質(zhì)量聯(lián)系到振動系統(tǒng)上的一種減振裝置。它是利用附加質(zhì)量的動力作用，使彈性元件加在主系統(tǒng)的力與干擾力盡量平衡來減小振動的。動力減振裝置主要用于減小受迫振動。

6.隔振

將振源隔離是減小振動危害的重要途徑之一。一方面，對于刨床、沖床等一類有往復(fù)慣性沖擊運動的機床，由于它的振動會對安裝得較近的其他機械加工設(shè)備、測試設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響。另一方面,對于精密加工機床或設(shè)備，為了避免周圍振源對它的影響，都將這些設(shè)備與整個地基隔開來。其主要措施是把需要隔離的機械加工機床或設(shè)備安裝在合適的彈性裝置上，使大部分振動被隔振裝置吸收。