機械加工振動分析及控制

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在機械加工過程中出現振動問題，將會直接對產品表面質量產生影響，無法達到專業標準?，F在機械加工數字化與智能化水平不斷提高，設備工藝也在不斷更新，可以更大程度上來提高加工效率與產品質量。但是就實際加工現狀來看，因為工件與刀具之間為特定周期性運動，加工時會存在不同程度的振動問題，為消除其對產品造成的影響，必須要采取有效措施進行處理，從根源上來避免問題的發生。

1機械加工振動影響分析

機械加工振動主要包括受迫振動、自動振動以及自激振動三種類型，且發生原因不同，對產品質量以及設備性能等造成的影響也各不相同。其中，受迫振動主要是因為受到系統內外因素干擾，維持一定振幅，對產品質量影響嚴重，并且控制處理難度大，只要內外干擾因素不完全去除，受迫振動強度將不會減小，產生的影響也依然存在。即便是干擾頻率保持穩定不變，在干擾力幅度值不斷增加情況下，受迫振動幅度值也會隨之增加。自由振動發生則是因為切削力變化明顯，產品受到的外部沖擊力過大，導致機械加工生產平衡狀態被打破，系統僅利用彈性恢復力進行維持。但是因為其可以采取措施處理，使其迅速衰減，對產品與設備產生的影響比較小。自激振動與受迫運動特點相反，其整個過程不存在衰減情況，其振動頻率與系統固定系統規律相同，為緩解其影響需要掌握各時間段內所獲得以及消耗能量比值，此為自激振動產生的關鍵因素。無論是哪種類型的振動，在發生后如果不及時采取措施處理，均會對機床設備以及產品質量造成影響。受振動影響，加工時工件與刀具移動，造成產品表面粗糙度增加，甚至會產生劃痕，同時還會加速刀具的磨損，縮短機床、夾具服務壽命，并且還會伴隨產生噪聲，必須要基于不同振動類型發生原因，有針對性的采取措施進行預防，消除振動帶來的不利影響。

2機械加工振動問題發生原因

2.1受迫振動。受迫振動產生的原因主要是受到加工系統內外因素的干擾，外界存在持續刺激，并且加工時系統內外交替變化而對產品以及設備產生影響。其中，外部因素可能是受附近機床運行影響，設備安裝時間距控制不當，機床或機器之間運行存在較大影響，加工時引起振動，并且可以通過地基進行傳播，在預防處理上存在較大難度，因為其在實際生產中是無法完全避免的。而內部因素的存在主要為機床自身電動機振動、高速回旋零件不平衡、機床傳動機構自身缺陷等產生的振動。另外如果產品在加工切削環節操作失誤均勻性不達標，或者是無法連續作業，也會造成機械振動。機械加工過程中受迫振動干擾存在一定干擾性，并且與一般機械振動中的受迫振動相比差異非常小，可以基于以往經驗來制定預防控制方案，最大程度上來降低其對產品加工質量的影響。2.2自由振動。自由振動主要是受到外部環境因素的干擾，切削力變化明顯產生沖擊，機械加工系統平衡被打破。本質上就是將激勵或者約束去除后機械系統產生的振動，與其他類型的振動問題相比，在預防和控制上難度較小，可以取得良好的效果。2.3自激振動。自激振動的產生不會受外力周期性干擾，主要是因為系統內部刺激造成的周期性振動。在機械加工過程中，很多情況下加工刀具會與工件處于相對狀態，便會在產品表面上產生明顯的振紋，影響產品質量。就機械加工自激振動問題的研究現狀來看，并沒有統一確定其產生原因，相應的在加工階段中對控制措施的選擇具有更大的靈活性，但是想要獲得明顯的效果，還需要在現有基礎上持續研究。

3機械加工振動控制措施

3.1受迫振動控制對于機械加工過程中產生的受迫振動問題，因為其穩定狀態為簡諧振動，在消除交變激振力后，系統內所受大的受迫振動將會停止。并且，受迫振動保持與外界激振力頻率一致，不受系統固有頻。率影響。另外，受迫振動幅值與激振力幅值以及系統動態特性有關，需要進行綜合分析。想要消除受迫振動，避免其對加工系統的影響，首先需要確定振源，然后根據實際情況采取相應措施處理。據此可以從以下幾個方面來采取措施控制。（1）減小激振力。對于轉速超過600r/min的機床零件，如卡盤、砂輪、刀盤以及電動機轉子等，需要進行平衡達到降低甚至消除激振力的目的。同時還可以提高鏈傳動、帶傳動、齒輪傳動等傳動裝置的穩定性，常見的如利用完善帶接頭膠合平帶，或者是利用斜齒輪代替直齒輪等，降低系統換向速度。（2）調整振源頻率。在確定系統加工轉速時，盡量將引起受迫振動的振源頻率遠離系統固有頻率，以免在加工過程中產生共振加大影響。同時，還應設置減振設備，將消振、減振附件添加到加工系統內，有效吸收或者消除振動能量，降低振動產生的影響，同時還可以在一定程度上抑制自激振動，具有良好的實用效果。（3）隔振措施。對加工系統應用隔振措施，即利用彈性隔振裝置對需要防振處理的機床或部件與振源進行有效隔離，通過吸收的大部分振動能量后，減少對系統的影響。常見的如對電動機與機床設置橡膠墊隔離振源，并在機床下安裝隔振器，或者是在機床四周開挖隔振溝，并在溝內填充纖維、鋸木屑、軟木等。另外，還應對加工系統進行優化，提高其剛度與阻尼，增強系統抗振能力。例如提高聯接部件接觸剛度，應用阻尼較大材料制造相關材料等。3.2自激振動控制。自激振動主要是因為產品切削加工過程中產生顫振造成，其雖然具有不衰減特點，但是當切削工藝停止后，顫振將會隨之消失。對其運行特點來看，顫振頻率接近于系統固有頻率，顫振能否產生以及維持主要受每個振動周期內輸入和消耗能量比?；诖嗽趯ψ约ふ駝舆M行控制時，可以從以下幾個方面來進行。（1）科學確定切削用量。為提高產品加工效率，一般會選擇較高的切削速度，在速度為20～70m/min時，系統產生自振的概率大，除去此范圍則振動會相對較低，可以根據實際情況來確定切削速度。另外，就以往經驗來看，進給量和背吃刀量均與振幅有著密切聯系，并且在應用較大進給量與較小背吃刀量時系統顫振最小。（2）提高系統抗振性。加工系統自身具有較高的抗振性能，將會降低自激振動對產品加工結果的影響。因此，可以采取措施來提高系統接觸剛度，例如刮研接觸面，減少主軸系統軸承間隙，并對滾動軸施加一定預緊力來提高頂尖孔研磨質量。另外，在對細長軸進行加工時，如果工件剛性比較差，很容易因為彎曲變形產生振動，因此需要設置彈性頂尖與輔助支承提高工件抗振性，并且還要利用切削液來減小工件的熱膨脹變形。

4結語

機械加工過程中受工藝系統內外因素影響而產生振動，并且振動類型不同產生的原因以及影響差異較大，對其控制措施進行分析，需要確定各類型振動產生原因，從多個方面著手，提高系統抗振性，減少振動問題的發生。

作者:李文博 鄭祥東 單位:大慶油田路橋工程有限責任公司

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