机械助工论文基于机械力振动中的避振研究

　　机械加工中都会有震动，会影响生产效率。本篇机械助工论文分析机械加工过程中出现的强迫振动、自激振动的规律和危害，并设法控制振动产生的危害，提高机械加工精度和表面质量。

　　推荐期刊：《中国工程机械学报》(季刊)创刊于2003年，是由中国科学技术协会主管，中国工程机械学会主办的科技期刊。主要刊登以下内容。有关工程机械基础理论和关键技术的研究成果;有关工程机械设计、制造和产品质量控制方面的研究成果;有关工程机械使用、维护、保养、修理和故障诊断的研究成果;有关机械设计、制造和使用过程中普遍适用的新理论、新技术、新材料的研究成果;有关工程机械企业管理、企业文化、企业发展策略、市场预测等方面的研究成果;工程机械及其基础件的新产品介绍，特别是各获奖产品的介绍;行业信息和动态报道;厂长、经理论坛等。

　　【关键词】机械加工;避振

　　一、机械加工过程中的强迫振动

　　强迫振动是工艺系统在外界周期性干扰力(激振力)作用下所引起和维持的振动。强迫振动时外界干扰力的含义很广，可分工艺系统内部和工艺系统外部两方面。工艺系统内部由刀具和工件组成的切削系统，但总的都是指振动系统以外。1.产生强迫振动的原因。(1)系统外部的周期性干扰力。如机床附近的设备振动，交通运输设备的振动，以及桥梁建筑的振动源经过地基传入正在进行加工的机床，而引起工艺系统的振动。(2)离心惯性力。如电机皮带轮、齿轮、传动轴、砂轮、工件等因质量偏心在高速回转时产生离心力，以及往复运动部件换向时的冲击等都是成为引起振动的激振力。(3)机床传动系统中的误差。机床传动系统中的齿轮，由于制造和装配误差而产生周期性的激振力。此外，皮带接头、轴承滚动体尺寸的不均匀和液压传动中油压脉动等诸种因素均可引起强迫振动。(4)切削过程的间歇特性。如铣削、拉削等加工，将导致切削力的周期性改变，以及加工断续表面，都会产生强迫振动。

　　2. 强迫振动中的能量关系。图1 表示Wf、Wc 与B 的关系。图中Wf 为一个周期内激振力所做的功，Wc 为阻尼力在一个周期内做的负功，A 为振幅。

　　如果系统的振幅为A1 时，一周期内激振力做的功Wf 大于阻尼消耗的能量Wc，则强迫振动的振幅将增加。由于输入的能量与A 成正比，而消耗的能量与A2 成正比，故当振幅达到A2 时，有Wf=Wc。振动又变成稳态振动。由此可见，系统的振幅表示了系统对外界能量的吸收能力。当相位差φ =π /2 时(即系统共振)，每周期吸收外界的能量是最多的，然而这时阻尼对系统振幅的限制也是最大的。

　　3.减小强迫振动的途径。强迫振动是由外界周期性外激振力引起的，因此，消除振动，应先找出振源，然后采取对应的措施加以控制。(1)减小或消除振源的激振力。提高齿轮的制造精度和装配精度，特别是提高齿轮的工作平稳性精度，从而减少因周期性的冲击而引起的振动;对转速在600r/min 以上的转动零件，如砂轮、卡盘、电动机转子等必须給予平衡，特别是高速旋转的零件，如砂轮，其本身砂粒的分布不均匀和表面磨损不均匀等原因，容易造成主轴的振动，因此，对于新换的砂轮必须进行修整前、后的两次平衡;提高滚动轴承的制造和装配精度;以斜齿轮或人字轮替代直齿轮;选用较完善的皮带接头、厚薄均匀的传动带等。(2)调节振源频率。尽可能使旋转件的频率远离机床的固有频率，也就是避开共振区。采取更换电动机的转速或改变主轴的转速来避开共振区;用提高接触面精度、消除间隙、提高接触刚度等方法，从而提高系统的刚度和固有频率。(3)消振和隔震。机床的电机与床身采用柔性联接以隔离电机本身的振动;把液压部分与机床分开;采用液压缓冲装置以减少部件换向时的冲击;采用隔震材料(厚橡皮、木材)将机床地基隔离，用防振沟隔开设备的基础和地面的联系。

　　二、机械加工过程中的自激振动

　　该振动是机械加工中经常出现的另一种形式的强烈振动，由振动过程本身引起的切削力产生周期性的变化，并由这个周期性变化的动态力反过来加强和维持振动，使振动系统补充由阻尼作用所消耗的能量，这种类型的振动称为自激振动。切削过程中产生的自激振动是频率较高的强烈振动，又称为颤振。

　　1.形成自激振动的物理条件──系统的能量关系。机械加工中的自激振动不同于受迫振动，它不是外加的激振力作用在工艺过程管中，而是由工艺过程本身引起的交变力作用而产生的振动。系统运动一停止，交变力也随之消失，自激振动也就停止。图2 所示揭示了自激振动系统的组成环节。由图2 可以看出，自激振动系统是一个由振动系统和调节系统组成的闭环系统。可以看出系统维持稳定振动的条件为：在一个振动周期内，从能源机构经调节系统输入振动系统的能量必须等于系统阻尼所消耗的能量。振动系统的能量输入和能量消耗的关系，如图3 所示。能量的输入和消耗都是振幅A 的函数。

　　图3 中能量消耗为E+，能量输入为E-，在A1 处当月E+>E- 时，系统获得的能量大于消耗的能量，振动表现为继续加强，当振幅不断增大，直至A0 处，E+=E- 为止;如A2 处，若E+

　　2.自激振动的特点。(1)自激振动是一种不衰减振动。外部振源在开始时起触发作用，但维持振动所需的交变力是由振动过程本身产生的。所以，当切削运动一但停止，交变力随之消失，自激振动也就停止。

　　(2)自激振动的频率接近或等于系统的固有频率，即由系统本身的参数所决定。(3)自激振动是否产生以及振幅的大小，取决于振动系统在每一个振动周期内，从能源输人到振动系统的能量是否等于振动系统所消耗的能量对比情况。如果获得的能量大于消耗的能量时，则振幅将不断增加，一直到两者能量相等为止。反之，振幅将不断减小。获得的能量小于消耗的能量时，自激振动也随之消失。

　　3.控制自激振动的途径。(1)合理选择切削用量图4 所示是车削时对切削速度Vc 与振幅A 的关系曲线。当Vc 在20～60m/min 范围内时，A 增大很快，而Vc 高于或低于此范围时，振动逐渐减弱。图5 所示是进给量f 与振幅A 的关系曲线，从图中看出，当f 较小时振幅较大，随着f 的增加而振幅减小。所以，在加工表面粗糙度允许的情况下应适当加大f 以减小自激振动。图6 所示是背吃刀量ap 与振幅A 的关系曲线，图中可以看出，随着ap 的增加，振幅也增大。因此，减小ap，可以减小自激振动。但由于ap 减小会降低生产率，所以通常采用调整Vc和f 来抑制切削自激振动。(2)合理选用刀具的几何参数。试验和理论研究表明，刀具的几何参数中，对振动影响最大的是前角γ 0 和主偏角kr。由于切屑越宽越容易产生振动，而kr 越小，切削宽度越宽，越易产生振动，前角γ 0 越大，切削力越小，排削变形也越小，振幅也越小。(3)提高工艺系统的抗振性。同样，工艺系统本身的抗振性能也是影响颤振的主要因素之一。应设法提高工艺系统的接触刚度，如增强薄弱环节的动刚度;减小主轴系统的轴承间隙，对滚动轴承施加一定的预紧力，提高顶尖孔的研磨质量等。加工细长轴时，使用中心架和跟刀架，尽量缩短刀具的悬伸量，用死顶尖代活顶尖，采用弹性刀杆等都能收到较好的减振效果。(4)采用减振装置。当采用上述措施仍然达不到消振的目的时，可考虑使用减振装置(如各种吸振器)。减振装置通常都是附加在工艺系统中，用来吸收或消耗振动时的能量，达到减振的目的。它对消除强迫振动和自激振动同样有效，是提高工艺系统抗振性的一个重要途径，但它并不能提高工艺系统的刚度。(5)合理调整振型的刚度比。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，抑制自激振动。

　　参考文献

　　[1]赵志修. 机械制造工艺学[J]. 北京：机械工业出版社，1989

　　[2]机械制造委员会. 金属切削原理与刀具[J]. 北京：科学技术出版社，1988

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