机械加工过程中产生振动.docx

引言随着科学技术和社会的迅速发展，整个社会对机械产品的质量及其生产效率提出了越来越高的 要求相应于此，近年来数控技术、数控加工技术在机械制造业中得到广泛应用和迅猛发展，工程 技术人员及数控机床编程与操作人员学习、学习这些技术已成为一种趋势在机械加工过程中，随着科学技术的发展和人们需求的提高，工件的精度也在不断的提高，但是工 艺系统常常还是会发生振动，即在工件和刀具的切削刃之间，除了名义上的切削运动外，还会出现一种 周期性的相对运动产生振动时，工艺系统的正常切削过程便受到干扰和破坏，从而使零件加工表面出 现振纹，降低了零件的加工精度和表面质量，频率低时产生波度，频率高时产生微观不平度强烈的振 动会使切削过程无法进行，甚至造成刀具 崩刃”为此，常被迫降低切削用量，致使机床、刀具的工作 性能得不到充分的发挥，限制了生产率的提高振动还影响刀具的耐用度和机床的寿命，发出噪声，恶 化工作环境，影响工人健本文就是为了降低道具的磨损提高机床的寿命，进一步提高零件加工表面的 精度，本文主要以《机械加工过程中产生的振动及解决方法》为题进 行分析，并找出原因从而得到解决由于我水平有限，文章中难免出现遗漏和错误，恳请老师批评指正。

1．振动的概念及危害1.1 概述机械加工过程中，工艺系统会发生振动，即刀具与工件之间产生周期性往复运动这种附加在 正常切削运动上的周期性运动，会破坏工件与刀具之间的正常的运动轨迹，使加工表面产生振痕， 将严重影响零件的表面质量和使用性能动态交变载荷使刀具极易磨损（甚至崩刃），机床连接特 性遭到破坏，缩短了刀具和机床的使用寿命当振动严重时，使加工过程无法进行为了减少振 动，有时不得不降低切削用量，而使生产率下降各种切削和磨削过程都可能发生振动，当速度 高、金属切除率大时会产生较强烈的振动1.2 振动的分类工艺系统的振动可分为三种类型：自由振动、受迫振动和自激振动a 自由振动： 当系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，仅靠弹性恢复力来维持的振动 称为自由振动在切削过程中，由于材料硬度不均或工件表面有缺陷，工艺系统就会发生这种 振 动，但由于阻尼作用，振动会迅速衰减，因而对机械加工的影响不大b 强迫振动： 是一种在工艺系统内部或外部周期性干扰力持续作用下，系统被迫产生的振 动c 自激振动： 系统在没有受到外界周期性干扰力（激振力）作用下产生的持续振动称为自激 振动维持这种振动的交变力是由振动系统在自身运动中激发出来的。

1.3 机械加工过程中振动的危害（1） 影响加工表面粗糙度当振动频率较高时会产生微观不平度，振动频率较低时会产生波度2） 影响生产效率机械加工过程一旦产生振动，就要减小切削用量，使得机床刀具性能得不到充分发挥，从而限制生产效率的提高3） 影响刀具寿命振动将使加工系统持续承受动态交变载荷作用，刀具易磨损，甚至崩刃，特别像硬质合金、陶瓷等韧性差的刀具更是如此4） 影响机床、夹具的使用寿命振动会使机床、夹具的零部件间的联接产生松动，间隙加大，接触刚度减小，精度降低，使用寿命缩短5） 产生噪声污染机械加工中的振动所引起的噪声有害于操作者的健康1.4自由振动的简述作振动的系统在外力的作用下物体离开平衡位置以后就能自行按其固有频率振动，而不再需 要外力的作用，这种不在外力的作用下的振动称为自由振动．理想情况下的自由振动叫无阻尼自由 振动．自由振动时的周期叫固有周期，自由振动时的频率叫固有频率．它们由振动系统自身条件所 决定，与振幅无关． 振子通过有时间变化的外界刺激进行振动称为强迫振动实际意义上是指所 有通过周期性刺激的正弦状自由振动这个对振动进行周期性刺激的频率称作刺激频率另外也有 多频率的刺激。

刺激也通过随机过程随机振动被研究 在规律刺激下一个系统同时产生两种振 动：自由振动（一个或多个固有频率），大小定义自初态条件并在单位振动时间内发生阻尼狭义上 的带有常数振幅的刺激频率的强迫振动刺激频率（或多个中的一个）与固有频率（或多个中的一 个）的关系及振动系统的阻尼可以通过放大函数定量 在工程力学中距离刺激，力刺激，不平衡 刺激都是重要因子 振幅在共振的条件下达到最大值在无阻尼和刺激频率与固有频率相等时， 振幅为无限大阻尼增大，共振振幅减小据统计，强迫振动约占 30%，自激振动约占 65%，自由振动占比重则很小自由振动往往是 由于切削力的突然变化或其它外界力的冲击等原因所引起的这种振动一般可以迅速衰减，因此对 机械加工过程的影响较小而强迫振动和自激振动都是不能自然衰减而且危害较大的振动下面就 这两种振动形式进行简单的分析2.机械加工过程中的强迫振动强迫振动是由工艺系统内部或外界周期干扰力持续作用下引起的振动机械加工中的强迫振 动与一般机械中的强迫振动没有什么区别，强迫振动的频率与干扰力的频率相同或是它的倍数如 在磨削过程中，由于电动机、高速旋转的砂轮及皮带轮等不平衡，三角皮带的厚薄或长短不一致， 油泵工作不平稳等，都会引起机床的强迫振动，它将激起机床各部件之间的相对振动幅值，影响机 床加工工件的精度，如粗糙度和圆度。

对于刀具或做回转运动的机床，振动还会影响回转精度2.1强迫振动的振源强迫振动的振源由来自机床内部的机内振源和来自机床外部的机外振源两大类2.1.1机外振源机外振源: 机外振源与机床的周边环境有关，影响因素较多，但它们都是通过地基传给机床的，从而引起工艺系统的振动机外振源可通过加设隔振地基来隔离2.1.2机内振源1)不平衡造成的离心惯性力在车床工作时，由于存在质量偏心，当机床高速旋转时产生离心惯性力，这种惯性力就是使机床振动的激振力，其振动频率大致等于这些元件每秒钟的相应转数，即f = n /60 ( H z) (其中n为机床主轴的转数).(2) 机床传动机构的缺陷在机床上的零部件，特别是传动中的旋转零件，由于制造中存在一定的制造误差，在装配 时又存在一定的装配误差等等，这些在转动时就会产生周期性的干扰力，而成为强迫振动力的振 源如齿轮的齿形制造误差以及啮合刚度的变化，不但使齿轮产生径向、切向和轴向的振动，产 生噪声，而且还可通过轴和轴承成为其他零部件的振源同时滚动轴承的精度误差，V带的厚度 不均匀等都会造成强迫振动3) 车削形状不规则的断续切削加工这些零件时刀具和工件常常产生冲击，当被加工部位与间断部分有一定的节奏交替时， 就可能产生周期性的激振力，而这种交变的切削力就会引起强迫振动。

4)地基振动地基振动的程度一般取决于两方面因素：一是邻近设备，如冲床、锻锤等引起的振动强度 二是地基和建筑物承载结构的谐振特性，当引起地基振动时，地基同时也把振动传给机床导致机 床与地基一起振动因此，要想在机床上加工出高精度和表面粗糙度值低的零件，则必须将机床 与地基隔绝开来5)往复运动部件的惯性力引起的振动具有往复运动部件的机床，当运动部件换向时的惯性力及液压系统中液压件的冲击现象 都会引起强迫振动2.2强迫振动的特点( 1 )强迫振动本身不能改变干扰力，干扰力一般与切削过程无关(除由切削过程本身所引起 的强迫振动外)干扰力消除，振动停止如外界振源产生的干扰力，只要振源消除，导致振动的 干扰力自然就不存在了 2 )强迫振动的频率与外界周期干扰力的频率相同，或是它的整倍数( 3 )干扰力的频率与系统的固有频率的比值等于或接近与1时，产生共振，振幅达到最大 值此时对机床加工过程的影响最大 4 )强迫振动的振幅与干扰力，系统的刚度及阻尼大小有关干扰力越大、刚度及阻尼越 小，则振幅越大，对机床的加工过程影响也就越大5 ）强迫振动的位移变化总是比干扰力在相位上滞后一个相位角e,其值与系统的动态特性 及干扰力频率有关。

2.3减小强迫振动的途径① 对高速回转（600r/min以上）的零件进行平衡（静平衡和动平衡）或设置自动平衡装置或 采用减振装置② 调整轴承及镶条等处的间隙，改变系统的固有频率，使其偏离激振频率；调整运动参数，使 可能引起强迫振动的振源频率,远离机床加工薄弱模态的固有频率③ 提高传动装置的稳定性，如在车床或磨床上采用少接头、无接头皮带，传动皮带应选择长短 一致用斜齿轮代替直齿轮，在主轴上安装飞轮等④ 在精密磨床上用叶片泵代替齿轮泵，在液压系统中采用缓冲装置等以消除运动冲击⑤ 将高精度机床的动力源与机床本体分置在两个基础上以实现隔振常用的隔振材料及隔振器 有橡胶隔振器、泡沫橡胶、毛粘等⑥ 适当选择砂轮的硬度、粒度和组织，适当休整砂轮，减轻砂轮堵塞，减少磨削力的波动⑦ 按均匀铣削条件适当选择铣刀直径，齿数和螺旋角；增加铣刀齿数；以顺铣代替逆铣；采用 等距刀齿结构，破坏干扰力的周期性⑨刮研接触面，提高接触刚度；采用跟刀架、中心架等增强工艺系统刚度选择较好的砂轮架 导轨形式⑨ 采用粘结结构的基础件及薄壁封砂结构的床身等，增加阻尼，提高抗振能力⑩ 隔离外来振动的影响，采取隔振措施，如在磨床砂轮电动机底座和垫板之间垫上具有弹性的 木版或硬胶皮等。

2.4机械加工过程中强迫振源的查找方法如果已经确认机械加工过程中发生了强迫振动，就要设法查找振源，以便去除振源或减小振源 对加工过程的影响由强迫振动的特征可知，强迫振动的频率总是与干扰力的频率相等或是它的倍 数，我们可以根据强迫振动的这个规律去查找强迫振动的振源3.机械加工过程中的自激振动3.1自激振动的概述切削加工时，在没有周期性外力（相对于切削过程而言）作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动，称为自激振动，简称为颤振其振动频率与系统的固有频率相近既然没有周期性外力的作用，那么激发自激振动的交变力是怎样产生的呢 ? 用传递函数的概念来分析，机床加工系统是一个由振动系统和调节系统组成的闭环系统，如图3-1所示激励机床系统产生振动运动的交变力是由切削过程产生的，而切削过程同时又受机床系统振动运动的控制，机床系统的振动运动一旦停止，动态切削力也就随之消失自激振动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到振动系统的能量，等于系统阻尼所消耗的能量图3-1自激振动系统框图如果切削过程很平稳，即使系统存在产生自激振动的条件，也因切削过程没有交变的动态切 削力，使自激振动不可能产生。

但是，在实际加工过程中，偶然的外界干扰（如工件材料硬度不 均、加工余量有变化等）总是存在的，这种偶然性外界干扰所产生的切削力的变化，作用在机床系 统上，会使系统产生振动运动系统的振动运动将引起工件与刀具间的相对位置发生周期性变化， 使切削过程产生维持振动的动态切削力如果工艺系统不存在自激振动的条件，这种偶然性的外界 干扰，将因工艺系统存在阻尼而使振动运动逐渐衰减如果工艺系统存在产生自激振动的条件，就 会使机床加工系统产生持续的振动运动3.2机床加工过程中产生自激振动的条件如果在一个振动周期内，振动系统从电动机获得的能量大于振动系统对外界做功所消耗的能 量，若两者之差刚好能克服振动时阻尼所消耗的能量，则振动系统将有等幅振动运动产生下图是一个单自由度振动系统模型，振动系统与刀架系统相连，且只在y方向振动为分析问 题简便起见，暂不考虑系统阻尼的作用分析可知，在刀架振动系统振入工件的半个周期内，它的 振动位移y振入与径向切削力Fy振入方向相反，切削力作负功（相当于刀架振动系统将已被压缩 的弹簧k经振入运动而将所积蓄的部分能量释放出来）；而在刀架振动系统振出工件的半个周期 内，它的振动位移y振出与径向切削力Fy振出方向相同，切削力作正功（相当于刀架振动系统通 过振出运动使弹簧k压缩而获得能量）。