一、振動(dòng)對(duì)機(jī)械加工過程的影響

　　機(jī)械加工過程中，工藝系統(tǒng)常常會(huì)發(fā)生振動(dòng)，即在工件和刀具的切削刃之間，除了名義上的切削運(yùn)動(dòng)外，還會(huì)出現(xiàn)一種周期性的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，工藝系統(tǒng)的正常切削過程便受到干擾和破壞，從而使零件加工表面出現(xiàn)振紋，降低了零件的加工精度和表面質(zhì)量，頻率低時(shí)產(chǎn)生波度，頻率高時(shí)產(chǎn)生微觀不平度。強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)使切削過程無法進(jìn)行，甚至造成刀具 “崩刃 ”。為此，常被迫降低切削用量，致使機(jī)床、刀具的工作性能得不到充分的發(fā)揮，限制了生產(chǎn)率的提高。振動(dòng)還影響刀具的耐用度和機(jī)床的壽命，發(fā)出噪聲，惡化工作環(huán)境，影響工人健康。

　　振動(dòng)按其產(chǎn)生的原因來分類有三種：自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，受迫振動(dòng)約占 30%，自激振動(dòng)約占 65%，自由振動(dòng)占比重則很小。自由振動(dòng)往往是由于切削力的突然變化或其它外界力的沖擊等原因所引起的。這種振動(dòng)一般可以迅速衰減，因此對(duì)機(jī)械加工過程的影響較小。而受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)都是不能自然衰減而且危害較大的振動(dòng)。下面就這兩種振動(dòng)形式進(jìn)行簡單的分析。

　　二、機(jī)械加工中的受迫振動(dòng)

　　（一）受迫振動(dòng)產(chǎn)生的原因

　　機(jī)械加工中的受迫振功，是一種由工藝系統(tǒng)內(nèi)部或外部周期交變的激振力 (即振源 )作用下引起的振動(dòng)。機(jī)械加工中引起工藝系統(tǒng)受迫振動(dòng)的激振力，主要來自以下幾方面

　　1 ．機(jī)床上高速回轉(zhuǎn)零件的不平衡 機(jī)床上高速回轉(zhuǎn)的零件較多，如電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、帶輪、主軸、卡盤和工件、磨床的砂輪等，由于不平衡而產(chǎn)生激振力 F(即離心慣性力 )。

　　2 ．機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)中的誤差 機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪，由于制造和裝配誤差而產(chǎn)生周期性的激振力。此外，皮帶接縫、軸承滾動(dòng)體尺寸差和液壓傳動(dòng)中油液脈動(dòng)等各種因素均可能引起工藝系統(tǒng) 受 迫振動(dòng)。

　　3 ．切削過程本身的不均勻性 切削過程的間歇特性，如銑削、拉削及車削帶有鍵槽的斷續(xù)表面等，由于間歇切削而引起切削力的周期性變化，從而激起振動(dòng)。

　　4 ．外部振源 由鄰近設(shè)備 (如沖壓設(shè)備、龍門刨等 )工作時(shí)的強(qiáng)烈振動(dòng)通過地基傳來，使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生相同 (或整倍數(shù) )頻率的受迫振動(dòng)。

　　（二）減少受迫振動(dòng)的途徑

　　受迫振動(dòng)是由于外界周期性干擾力引起的，因此為了消除受迫振動(dòng)，應(yīng)先找出振源，然后采取適應(yīng)的措施加以控制。

　　1 ．減小或消除振源的激振力

　　對(duì)轉(zhuǎn)速在 600r/min以上的零件必須經(jīng)過平衡 ,特別是高速旋轉(zhuǎn)的零件 ,如砂輪 ,因其本身砂粒的分布不均勻和工作時(shí)表面磨損不均勻等原因 ,容易造成主軸的振動(dòng) ,因此對(duì)于新?lián)Q的砂輪必須進(jìn)行修整前和修整后的兩次平衡。

　　提高齒輪的制造精度和裝配精度，特別是提高齒輪的工作平穩(wěn)性精度，從而減少因周期性的沖擊而引起的振動(dòng)，并可減少噪聲；提高滾動(dòng)軸承的制造和裝配精度，以減少因滾動(dòng)軸承的缺陷而引起的振動(dòng)；選用長短一致、厚薄均勻的傳動(dòng)帶等。

　　2 ．避免激振力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近，以防止共振。

　　如采取更換電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或改變主軸的轉(zhuǎn)速來避開共振區(qū)；用提高接觸面精度、降低結(jié)合面的粗糙度；消除間隙、提高接觸剛度等方法，來提高系統(tǒng)的剛度和固有頻率。

　　3 ．采用隔振措施

　　如使機(jī)床的電機(jī)與床身采用柔性聯(lián)接以隔離電機(jī)本身的振動(dòng)；把液壓部分與機(jī)床分開；采用液壓緩沖裝置以減少部件換向時(shí)的沖擊；采用厚橡皮、木材將機(jī)床與地基隔離，用防振溝隔開設(shè)備的基礎(chǔ)和地面的聯(lián)系，以防止周圍的振源通過地面和基礎(chǔ)傳給機(jī)床等。

　　三、機(jī)械加工中的自激振動(dòng)

　　當(dāng)系統(tǒng)受到外界或本身某些偶然的瞬時(shí)的干擾力作用而觸發(fā)自由振動(dòng)時(shí)，由振動(dòng)過程本身的某種原因使得切削力產(chǎn)生周期性的變化，并由這個(gè)周期性變化的動(dòng)態(tài)力反過來加強(qiáng)和維持振動(dòng)，使振動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)充由阻尼作用所消耗的能量，這種類型的振動(dòng)稱為自激振動(dòng)。切削過程中產(chǎn)生的自激振動(dòng)是頻率較高的強(qiáng)烈振動(dòng)，通常又稱為顫振。

　　( 一 )自激振動(dòng)的特點(diǎn)

　　1 ．自激振動(dòng)是一種不衰減的振動(dòng)。振動(dòng)過程本身能引起周期性變化的力，此力可從非交變特性的能源中周期性地獲得能量的補(bǔ)充，以維持這個(gè)振動(dòng)。

　　2 ．自激振動(dòng)頻率等于或接近系統(tǒng)的固有頻率，即由系統(tǒng)本身的參數(shù)決定。

　　3 ．自激振動(dòng)振幅大小取決于每一振動(dòng)周期內(nèi)系統(tǒng)獲得的能量與消耗能量的比值。當(dāng)獲得的能量大于消耗的能量時(shí)，則振幅將不斷增加，一直到兩者能量相等為止。反之振幅將不斷減小。當(dāng)獲得的能量小于消耗的能量時(shí)，自激振動(dòng)也隨之消失。

　　到目前為止尚無完全成熟的理論來解釋各種情況下發(fā)生自激振動(dòng)的原因。目前克服和消除機(jī)械加工中的自激振動(dòng)的途徑，仍是通過各種實(shí)驗(yàn)，在設(shè)備、工具和實(shí)際操作等方面解決。

　　（二）控制自激振動(dòng)的途徑

　　1 ．合理選擇切削用量

　　圖 5— 5所示是車削時(shí)切削速度 與振幅 A的關(guān)系曲線。 在 20～ 60m/min范圍內(nèi)時(shí)， A增大很快，而 高于或低于此范圍時(shí)，振動(dòng)逐漸減弱。

　　圖 5— 6所示是進(jìn)給量 f與振幅 A的關(guān)系曲線， f較小時(shí) A較大，隨著 f的增大 A反而減小。

　　圖 5— 7所示是背吃刀量 與振幅 A的關(guān)系曲線， 越大 A也越大。

軸承間隙，對(duì)滾動(dòng)軸承施加一定的預(yù)緊力，提高頂尖孔的研磨質(zhì)量等。加工細(xì)長軸時(shí)，使用中心架或跟刀架，盡量縮短鏜桿和刀具的懸伸量，用死頂尖代替活頂尖，采用彈性刀桿等都能收到較好的減振效果。

　　4 ．采用減振裝置當(dāng)采用上述措施仍然達(dá)不到消振的目的時(shí)，可考慮使用減振裝置。減振裝置通常都是附加在工藝系統(tǒng)中，用來吸收或消耗振動(dòng)時(shí)的能量，達(dá)到減振的目的。它對(duì)抑制強(qiáng)迫振動(dòng)和顫振同樣有效，是提高工藝系統(tǒng)抗振性的一個(gè)重要途徑，但它并不能提高工藝系統(tǒng)的剛度。減振裝置主要有阻尼器和吸振器兩種類型。

　　（ 1）阻尼器的原理及應(yīng)用 阻尼器是利用固體或液體的阻尼來消耗振動(dòng)的能量，實(shí)現(xiàn)減振。圖 5— 9所示為利用多層彈簧片相互摩擦，消除振動(dòng)能量的干摩擦阻尼器。阻尼器的減振效果與其運(yùn)動(dòng)速度的快慢、行程的大小有關(guān)。運(yùn)動(dòng)越快、行程越長，則減振效果越好。故阻尼器應(yīng)裝在振動(dòng)體相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大的地方。

　　（ 2）吸振器的原理及應(yīng)用 吸振器又分為動(dòng)力式吸振器和沖擊式吸振器兩種。

　　①動(dòng)力式吸振器 它是利用彈性元件把一個(gè)附加質(zhì)量塊連接到系統(tǒng)上，利用附加質(zhì)量的動(dòng)力作用，是彈性元件加在系統(tǒng)的力與系統(tǒng)的激振力相互抵消，以此來減弱振動(dòng)。

　　圖 5— 10所示為用于鏜刀桿的動(dòng)力吸振器。這種吸振器用微孔橡皮襯墊做彈性元件，并有附加阻尼作用，因而能得到較好的消振作用。

　　②沖擊式吸振器 它是由一個(gè)與振動(dòng)系統(tǒng)剛性連接的殼體和一個(gè)在殼體內(nèi)自由沖擊的質(zhì)量塊組成。當(dāng)系統(tǒng)振動(dòng)時(shí)，由于自由質(zhì)量的往復(fù)運(yùn)動(dòng)而沖擊殼體，消耗了振動(dòng)的能量，故可減小振動(dòng)。

　　圖 5— 11所示為螺栓式?jīng)_擊吸振器。 當(dāng)?shù)毒哒駝?dòng)時(shí)自由質(zhì)量 1也振動(dòng)，但由于自由質(zhì)量與刀具是彈性連接，振動(dòng)相位相差 180 0 。當(dāng)?shù)毒呦蛳聯(lián)锨鷷r(shí)，自由質(zhì)量卻克服彈簧 2的彈力向上移動(dòng)。這時(shí)自由質(zhì)量與刀桿之間形成間隙。當(dāng)?shù)毒呦蛏线\(yùn)動(dòng)時(shí)，自由質(zhì)量以一定速度向下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生沖擊而消耗能量。

　　5 ．合理調(diào)整振型的剛度比 根據(jù)振型耦合原理，工藝系統(tǒng)的振動(dòng)還受到各振型的剛度比以及其組合的影響。合理調(diào)整它們之間的關(guān)系，就可以有效地提高系統(tǒng)的抗振性，抑制自激振動(dòng)。

　　圖 5— 12a所示為削扁鏜桿，刀頭 2用螺釘 3固定在鏜桿的任意角度位置上。鏜桿 1削扁部分的厚度 a=（ 0.6～ 0.8） d,其中 d為鏜桿直徑。鏜桿削扁后，兩個(gè)互相垂直的主振型模態(tài)具有不同的剛度 k 1、 k 2,再通過刀頭 2在鏜桿上的轉(zhuǎn)位調(diào)整，即可找到穩(wěn)定性較高的方位角α（α為加工表面法向與鏜桿削邊垂線的夾角）。

　　取鏜桿 a =0.8d，，鏜桿懸伸長度為 550mm。由圖 5— 12b可知，當(dāng) 時(shí)，不產(chǎn)生自激振動(dòng)。圖 5— 12c所示的“ 8”字形區(qū)域可知，最適宜的方位角在之間。