机械加工中振动的类型及特点

机械加工中振动的基本类型有两种，即强迫振动和自激振动。这两种振动都是不衰减振动，危害很大。在切削加工过程中，还会出现自由振动。它是由切削力突然变化或其他外界冲击等原因引起的。但这种机械加工振动很快会衰减。因此，对切削加工过程的影响不大。

1.强迫振动

强迫振动是在外界周期性干扰力的作用下产生的振动。
强迫振动的周期和频率等都由外力决定。强迫振动可能是周期性的振动，也可能是非周期性的振动，这要由干扰力来决定.
消除或减弱强迫振动的途径如下：
a.消除或尽量减小干扰力；
b.采取隔离措施，使干扰力不传到机械加工系统中；
c.增大系统刚度和阻尼，避免出现共振现象。

2.自激振动

自激振动是机械加工过程中经常出现的一种振动。由振动过程本身引起某种切削力的周期性变化，又由这个周期性变化的切削力，反过来加强和维持振动，使振动系统补充了由于阻尼作用而消耗的能量。这种类型的振动，称为自激振动。
当振幅为某一值时，如果获得的能量大于所消耗的能量，则振幅不断加大；相反，则振幅减小。振幅的增大或减小，直到能量平衡时为止。
减弱或消除自激振动的方法如下：
a.减小振动系统获得的能量；
b.减小切削力和增大系统刚度。

减小振动与提高机械加工稳定性的措施

减小振动，提髙切削加工的稳定性,可采取以下措施。

1.合理选择切削用量

a.切削速度的选择

图1 切削速度与振幅的关系曲线

图1所示为车削中碳钢时切削速度对振幅的影响。
当切削速度在20-60m/min时，容易产生自振，相应的振幅为最大。在一定的切削速度下，有时易产生自激振动；而切削速度高于或低于此范围，则振动减弱。因此，为了避免切削时产生自振，实现稳定切削，切削速度应在低速或髙速范围内选择。

b.进给量的选择
如图2所示，随着进给f的增大，振幅A下降，振动减弱，机械加工工艺系统变得不易产生自振。但f增加后会影响工件的表面粗糙度。因此，在加工时，应在粗糙度的许可条件下，选取较大的进给量。

图2 进给量与振幅的关系曲线
c.切削深度的选择
如图3所示，随着切削深度a的增加，振幅A也增大，振动加剧。

图3 切削深度与振幅的关系曲线

为减小振动,可减小a，但会导致生产率下降。因此，应综合考虑切削深度a和进给量f对切削稳定性的影响。

2.合理选择刀具的几何参数

合理选择切削刀具的几何参数，是保证稳定切削的重要措施。

3.提高机械加工工艺系统的抗振性

提髙机械加工工艺系统的抗振能力,是减小切削加工过程振动的最基本措施。一般可采取下述措施：
A.改善数控加工机床结构以提髙抗振性
机床的抗振性在整个数控加工工艺系统的抗振性中占主导地位。要提高机床的抗振性，就是要提高数控加工机床的动刚度，特别是要提高在振动中起主振作用的部件（如主轴组件、刀架部件和尾座部件等）和基础部件（如床身、立柱和横粱等）的动刚度。
a.改善数控加工机床的制造和装配质量。增大数控加工机床结构的阻尼，就可以增大机床结构的动刚度，从而提高机床的抗振性。一般单一零件，如床身、主轴等 的阻尼系数为0.001~0.02，而装配好的主轴组件的阻尼系数为0.02~0.05，刀架、溜板和床身系统的阻尼系数为0.1~0.2。
b.采用"薄壁封砂"结构。在床身结构设计中，有的机床将型砂、泥芯密封在床身的空腔内,使抗振性显著提高。
c.增加数控加工机床的结构质量。在激振力频率比固有频率大很多时，可考虑增加结构的质量来提高数控加工机床在受迫振动下的动刚度。

B.合理安排机械加工机床各部件的固有频率
机床是一个多自由度的振动系统，其各质量部分运动的相互影响将决定着系统的振动。因此，合理安排数控加工机床各零部件的固有频率，将有助于提髙数控加工机床的抗振性。
a.主轴箱部件、刀架-溜板部件或尾座部件等数控加工机床上被支承部件的固有频率应远离床身、立柱等支承零件的固有频率；否则，床身、立柱振动时，主轴箱或刀架-溜板箱等会减少床身、立柱的振动,但它们本身的振动却大大增加。
b.数控加工机床各部件的固有频率应远离传动系统带来的干扰频率。
c.主轴转速应尽可能避免切削不稳定区域。

C.增强机械加工机床与地基之间的联结刚度
机床与地基之间的联结情况，对数控加工机床的动刚度有明显影响。如把数控加工车床安装在不同的基础上的试验，就可观測到：当安放在橡皮垫上时，因系统固有 频率很低，振幅很大，引起的系统共振频率就很低,若安装在沥青浇灌的基础上,则共振频率较高,振幅较小;安放在水泥基础上则情况更好。此外,对于同样的安 装基础，地脚螺钉的配置和紧固稳妥都会直接影响数控加工机床的动刚度。对于髙速运转或往复运动冲击惯性大的机床来说,增强数控加工机床与地基之间的联结刚 度尤为重要。
D.增强工件及工件支承件的刚度
细长件、薄壁件等刚性较差的零件加工时，容易产生振动。在这种情况下，工件及其支承件往往是整个机械加工工艺系统引起振动的薄弱环节。因此，在加工细长轴时，工件愈细长，刚度就愈差，愈容易引起振动。在车削细长轴时，可采用中心架或跟刀架；加工薄壁盘形零件时一般可采用双面车床，以减少变形和振动。
E.增强刀具及刀具支承件的刚度
同工件及工件支承件的刚度一样，刀具及刀具支承件（刀杆）的刚度也会成为整个机械加工工艺系统的薄弱环节而影响切削的稳定性。如悬臂镗削时镗杆刚度越高，发生切削自振对应的切削速度也越髙。

4.消除或减少切削过程的干扰源

切削过程中各种干扰源的影响，主要是使系统产生强迫振动。当干扰源的频率和某零部件的固有频率相近时，就要产生共振,使系统的振动加剧.
A.来自机械加工机床的干扰振源
a.数控加工机床回转组件的质（重）量不平衡；
b.由齿轮啮合不良《冲击）引起的振动；
c.主轴滚动轴承的振动；
d.数控加工机床电动机的振动:
e.传动皮带的振动。

B.来自工件的干扰振源
工件回转时的不平衡、加工表面不连续、材质和加工余量不均匀都会引起切削力的变化，产生振动。
C.来自刀具的干扰振源
例如铣削时，由一圈均布的刀齿数目造成的不连续切削，引起周期性的切削冲击搌动。冲、击将成为干扰源，同时也引起工艺系统其他零部件的自由振动。

5.采用减振装置

如果不能从根本上消除产生机械加工机械振动的条件，又不能有效地提高机械加工工艺系统的动态特性，那么为了保证加工质量，但又不希望采用降低切削用量而使生产率下降，就需要采用减振装置。
a.摩擦式减振装置
这类减振装置是利用固体或液体的摩擦阻尼来消耗振动的能量的。它常用来减小机械加工机床传动系统的扭转振动，一般安装在速度高、振幅大的部位。

图4 惯性圆盘式减振器
例如，如图4所示的惯性圆盘式减速器的工作情况如下:惯性圆盘在封闭的壳体内可以绕光滑耐磨的衬套转动。在环形壳体和惯性圆盘的径向和侧向间隙中充满着粘 性较大、化学性能稳定的硅油。使用时,将减振器的壳体与扭振轴固联,使其随之产生扭搌.在振动过程中，惯性圆盘的运动总是滞后于壳体的运动，由于这种相对 运动的出现，间隙中硅油的粘滞性阻尼就能减弱系统扭转振动的作用。为了得到合适的硅油的粘度可掺入其他油来调制。

b. 冲击式减振装置
冲击式减振装置是由一个与振动系统刚性联结的壳体和一个在壳体内自由冲击的质量所组成。当系统振动时，由于自由质量反复冲击壳体消耗了振动的能量，因而可以显著减小振动。
冲击式减振装置虽有因碰撞产生噪声的缺点，但由于其具有结构简单、质量轻、体积小,在某些条件下减振效果好，以及在较大的频率范围内都适用的优点，所以应用较广。特别适用于减小高频振动的振幅。

c.动力减振装置
动力减振装置是用弹性元件把一个附加质量联系到振动系统上的一种减振装置。它是利用附加质量的动力作用，使弹性元件加在主系统的力与干扰力尽量平衡来减小振动的。动力减振装置主要用于减小受迫振动。

6.隔振

将振源隔离是减小振动危害的重要途径之一。一方面，对于刨床、冲床等一类有往复惯性冲击运动的机床，由于它的振动会对安装得较近的其他机械加工设备、测试设备的正常工作产生影响。另一方面,对于精密加工机床或设备，为了避免周围振源对它的影响，都将这些设备与整个地基隔开来。其主要措施是把需要隔离的机械加工机床或设备安装在合适的弹性装置上，使大部分振动被隔振装置吸收。