机械零件加工中工艺系统振动中的自激振动分析及其消除方案

机械零件加工中工艺系统振动中的自激振

动分析及其消除方案

赵俊灵

（浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310032）

摘要：机械加工中的振动是一种十分有害的物理现象，在分析机械加工中各种振动产生的原因和特性时，提出了相应的减振措施。在实际生产中，合理采用这些措施对保证零件表面品质、提高生产率有着积极的意义。且在机械加工过程中，工艺系统振动是一种常见的现象，会影响加工质量和降低生产率，甚至会使切削不能继续进行，对切削加工非常不利，其中工艺系统振动类型主要包括自由振动，强迫振动以及自激振动，其中消除自激振动对于提高表面质量有着重要意义。

关键词：机械加工；工艺系统振动；自由振动；强迫振动；自激振动；控制措施。

Machining process of self-excited vibration in vibration analysis ande

limination programmes

Zhaojunling

（College of Mechanical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）

Abstract：

Vibration during machining is a very harmful physical phenomenon, afteranalyzing machine vibration causes and characteristics and correspondingvibration reduction measures are put forward. Key words：

Mechanical processing ;system vibration;free vibration; forced vibration;self-excited vibration ;control measures.

引言：

机械加工过程中，工艺系统振动是一种常见的现象，会影响加工质量和降低生产率，甚至会使切削不能继续进行，对切削加工非常不利。若加工中产生了振动，刀具与工件问将产生相对位移，会使加工表面产生振痕，严重影响零件的表面品质和性能；振动使刀具受到附加动载荷，加速刀具磨损，有时甚至崩刃；同时振动使机床、夹具等的连接部分松动，从而增大间隙，降低刚度和精度，缩短使用寿命，严重时甚至使切削加工无法继续进行；振动中产生的噪声还将危害操作者的身体健康。为减小振动，有时不得不降低切削量，使机床加工的生产效率降低。因此，研究分析机械加工中的振动原因和特性，寻求控制振动的有效途径是很有必要的。

机械振动的类型分为自由振动、强迫振动和自激振动三类。自由振动是在初始干扰力的作用下破坏了系统的平衡，仅靠弹性恢复力来维持的振动。由于系统中总存在阻尼，自由振动会迅速衰减，所以对机械加工的影响不大。受迫振动和自激振动都属于不衰减的振动，对机械加工的影响不容忽视。下面主要分析自激振动。

自激振动的含义及其产生：

一把横过小提琴弦的琴弓，产生弓和弦之间的相互作用，从而产生声音。声音或是悦耳，或是刺耳，则取决于小提琴手的技巧。同样的，横过工件的一把铣刀，产生刀具与工件之间的相互作用。刀具与主轴一起振动。这振动在零件上留下许多细微的波纹。这些波纹会使刀刃受到变动的载荷。把这种效果称为振颤。正像小提琴的声音一样，高速铣销过程也可能是刺耳的或悦耳的。有时候振动系统虽未受周期性干扰力持续作用，也会产生持续的振动，则称之为自激振动，一般也称之为切削颤振。维持这种振动的交变力是振动系统在自身系统中激发出来的，自激系统是机床振动系统本身的调节环节把外界固定能源的能量转变为维持振动的交变力，从而引起的刀具刀件之间持续的周期性振动，若切削过程一旦停止，即使机床仍继续空运转，自激振动也就停止，这也是与强迫振动的区别之处。所以可通过切削试验来研究工艺系统或机床的自激振动。也可以通过改变对切削过程有影响的工艺参数来控制切削过程，从而限制自激振动的产生。

自激振动的产生：

工艺系统中诱发自激振动产生方式有多种，如负摩擦颤振，再生颤振和主振模态耦合颤振等。

自激振动的消除：

消除机床自激振动对于提高表面质量有重要意义，主要途径有：

? 合理选择与切削过程有关的参数。由于自激振动的形成是与切削过程本身密

切相关的，所以可通过合理的选择切削用量、刀具几何角度和工件材料的可切削性等途径来抑制自激振动。

a.合理选择切削用量

车销中，当切削速度v在20到60m/min范围内时，自激振动振幅增加很快，而当v超过此范围以后，则振动又逐渐减弱了，通常切削速度v在50到60m/min左右稳定性最低，最容易产生自激振动，所以可以选择高速或低速切削以避免自激振动。关于进给量f，通常当f较小时振幅较大，随着f的增大振幅反而会变小，所以可以在加工粗糙度许可条件下选取较大的进给量来避免自激振动。切削深度越大，切削力越大，越容易产生振动。 b.合理选择刀具的几何参数

使当地增大前角、主偏角，能够减小切削力而减小振动。后角可尽量取小，但精加工中由于切深较小，刀刃不容易切入工件，而且切深过小时，刀具后刀面与加工表面间的摩擦可能过大，这样反而容易引起自激振动。通常在刀具的主后刀面下磨出一段后角为负的窄棱面，具有很好的抗振性。

?提高工艺系统本身的抗振性

a、工艺系统本身的抗振性能是影响颤振的主要因素之一。首先应设法提高工艺系 统的接触刚度，如对接触面进行刮研，减小主轴系统的轴 承间隙，对滚动轴承施加一定的预紧力，提高顶尖孔的研 磨品质等。

加工细长轴(L／D>12)时，工件刚性差，易弯曲变形产生振动，此时应在采用弹性顶尖及

辅助支承(中心架或 跟刀架)来提高工件抗振性能的同时，用冷却液冷却以减 小工件的热膨胀变形。

当用细长刀杆进行孔加工时，应采用中间导向支承来提高刀具的抗振性能；减小刀具悬伸长度，一般情况下刀具伸出长度不宜超过刀杆高度的两倍；采用如图8所示的切向刚度较高的弹性刀杆，将不易产生刀杆的弯曲高频振动。刀具高速自振时，宜提高转速和切削速度，以提高切削温度，消除刀具后刀面摩擦力下降特性和由此引起的自 振，但切削速度不宜>1．33 rn／s[80(m／rain)]。在增加工艺系统刚度的同时，应尽量减小构件的自身质量，应“以最轻的质量获得最大的刚度”作为结构设计的一个重要原则。 b、调整振型的刚度比

根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振型的刚度比以及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，制自激振动。 c、采用减振装置

当采用上述各种措施仍无法控制振动时，可考虑使用消振减振装置。减振装置通常都是附加在工艺系统中，通过吸收或消耗振动能量，达到减振的目的。它对抑制自激振动有同样的效果，是提高工艺系统抗振性的一个重要途径。 d、提高工件安装时的刚性

主要是提高工件的弯曲刚性，如细长轴的车销中，可以使用中心架和刀架等。

结语：

通过对切削加工过程中产生振动的原因和特性的分析，采取相应的减振措施，可使切削加工中的振动现象明显减小，大大提高工件表面品质及生产率。但完全消除振动现象，尚待进一步深入研究振动机理、寻找产生原因及消除措施。另一方面，近几十年来，通过研究发现，如果科学合理地利用振动，反而可以更好地进行切削，如振动切削和磨削，都是利用振动来提高表面品质和生产率的先进加工技术。如何科学合理地利用振动是机械加工研究的又一课题。

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