機(jī)械加工過程中振動(dòng)的影響2

1、3、振動(dòng)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響及其控制3.1振動(dòng)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響機(jī)械加工中產(chǎn)生的振動(dòng)，一般說來是一種破壞正常切削過程的有害現(xiàn)象。各種切削和磨削過程都可能發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)速度高、切削金屬量大時(shí)常會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的振動(dòng)。切削過程中的振動(dòng)，會(huì)影響加工質(zhì)量和生產(chǎn)率，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)骨邢鞑荒芾^續(xù)進(jìn)行，因此通常都是對(duì)切削加工不利的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。(1)影響加工的表而粗糙度。振動(dòng)頻率低時(shí)會(huì)產(chǎn)生波度，頻率高時(shí)會(huì)產(chǎn)生微觀不平度。(2)影響生產(chǎn)率。加工中產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)限制切削用量的進(jìn)一步提高，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)骨邢鞑荒芾^續(xù)進(jìn)行。(3)影響刀具壽命。切削過程中的振動(dòng)可能使刀尖刀刃崩碎，特別是韌性差的刀具材料，如硬質(zhì)合金

2、、陶瓷等，要注意消振問題。(4)對(duì)機(jī)床、夾具等不利。振動(dòng)使機(jī)床、夾具等的零件連接部分松動(dòng)，間隙增大，剛度和精度降低，同時(shí)使用壽命縮短。此外，強(qiáng)烈的振動(dòng)及伴隨而來的噪聲，還會(huì)污染環(huán)境，危省操作者的身心健康。對(duì)于精密零件的精密加工和超精密加工,其尺寸精度要求多小于,表面粗糙度值以下，而且不允許出現(xiàn)波紋。因此，在切削過程中哪怕出現(xiàn)極其微小的振動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致被加工零件達(dá)不到設(shè)計(jì)的質(zhì)量要求。振動(dòng)對(duì)機(jī)械加工有不利的一面，但又可以利用振動(dòng)來更好地切削，如振動(dòng)磨削、振動(dòng)研拋、超聲波加工等都是利用振動(dòng)來提高表面質(zhì)量或生產(chǎn)率的。機(jī)械加工中產(chǎn)生的振動(dòng)，根據(jù)其產(chǎn)生的原因，大體可分為自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)三大類，如

3、圖1所示。圖1 切削加工中振動(dòng)的類型3.2自由振動(dòng)自由振動(dòng)是當(dāng)系統(tǒng)所受的外界干擾力去除后系統(tǒng)本身的衰減振動(dòng)。由于工藝系統(tǒng)受一些偶然因素的作用(如外界傳來的沖擊力、機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的非周期性沖擊力、加工材料的局部硬點(diǎn)等引起的沖擊力等)，系統(tǒng)的平衡被破壞，只靠其彈性恢復(fù)力來維持的振動(dòng)屬于自由振動(dòng)。在機(jī)械加工中，自由振動(dòng)是最簡單的振動(dòng)，所占振動(dòng)比率僅5%左右。振動(dòng)的頻率就是系統(tǒng)的固有頻率。由于工藝系統(tǒng)的阻尼作用，這類振動(dòng)會(huì)很快衰減?？梢?，自由振動(dòng)對(duì)機(jī)械加工過程影響較小，但是自由振動(dòng)在一定條件下會(huì)誘發(fā)產(chǎn)生自激振動(dòng)。3.3強(qiáng)迫振動(dòng)強(qiáng)迫振動(dòng)是由外界周期性的干擾力所支持的不衰減振動(dòng)。3.3.1切削加工中產(chǎn)

4、生強(qiáng)迫振動(dòng)的原因工藝系統(tǒng)內(nèi)部因素造成強(qiáng)迫振動(dòng)的原因可從機(jī)床、刀具和工件3方面來分析。1）機(jī)床中某些零件的制造精度不高，會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生不均勻運(yùn)動(dòng)而引起振動(dòng)。例如，齒輪的周節(jié)誤差和周節(jié)累積誤差，會(huì)使齒輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)不均勻，從而使整個(gè)部件產(chǎn)生振動(dòng)。主軸與軸承之間的間隙過大、主軸軸頸的橢圓度、軸承制造精度不夠，都會(huì)引起主軸箱以及整個(gè)機(jī)床的振動(dòng)。另外，皮帶接頭太粗而使皮帶傳動(dòng)的轉(zhuǎn)速不均勻，也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。至于某些零件的缺陷，使機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)則更是明顯。2）在刀具方面，多刃、多齒刀具切削時(shí)，由于刃口高度的誤差，容易產(chǎn)生振動(dòng)，如銑刀等。斷續(xù)切削的刀具，如銑刀、拉刀和滾刀，切削時(shí)也很容易引起振動(dòng)。3）被切削的工件表面

5、上有斷續(xù)表面或表面余量不均、硬度不一等，都會(huì)在加工中產(chǎn)生振動(dòng)。例如，車削或磨削有鍵槽的外圓表面就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。當(dāng)然，在工藝系統(tǒng)外部也有許多原因會(huì)造成切削加工的振動(dòng)。例如，相鄰機(jī)床之間就會(huì)有相互影響，一臺(tái)磨床和一臺(tái)重型機(jī)床相鄰，這臺(tái)磨床就會(huì)受重型機(jī)床工作的影響而產(chǎn)生振動(dòng)，影響其加工工件表面的粗糙度。此外，具有往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件的機(jī)械加工設(shè)備在加工過程中，液壓系統(tǒng)中液壓件的沖擊現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行換向時(shí)產(chǎn)生的慣性力也會(huì)引起強(qiáng)迫振動(dòng)。3.3.2消除強(qiáng)迫振動(dòng)的途徑機(jī)械加工中產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)是由周期性激振力引起，強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率總是與干擾力的頻率相等或是其倍數(shù)，因此消除或者減少這種振動(dòng)的首要問題是找出振動(dòng)源。(1

6、)消振與隔振。消除強(qiáng)迫振動(dòng)最有效的辦法是找出外界的干擾力(振源)并將其去除。如果不能去除，則可以采用隔絕的方法。例如，機(jī)床采用防振地基，可以隔絕相鄰機(jī)床的振動(dòng)影響。精密機(jī)械、儀器采用空氣墊等也是很有效的隔振措施。(2)消除回轉(zhuǎn)零件的不平衡。機(jī)床和其他機(jī)械的振動(dòng)，大多數(shù)是由于回轉(zhuǎn)零件的不平衡所引起的，因此對(duì)于高速回轉(zhuǎn)的零件要注意其平衡問題，在可能的條件下能做動(dòng)平衡最好。例如對(duì)砂輪、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及刀盤等以上的高速回轉(zhuǎn)元件進(jìn)行靜平衡與動(dòng)平衡，或者設(shè)置自動(dòng)平衡裝置。另外，還要提高傳動(dòng)裝置的穩(wěn)定性，如采用機(jī)械加工設(shè)備所用的傳動(dòng)皮帶長短一致、無接頭或者少接頭、盡量用斜齒輪代替直齒輪、在主軸上安裝飛輪、高精度

7、與小功率加工設(shè)備使其動(dòng)力源與機(jī)床脫離等措施。(3)提高傳動(dòng)件的穩(wěn)定性和制造精度。改善以聯(lián)軸器相聯(lián)的各軸軸心線間的同軸度，從高速軸或主軸上除去帶動(dòng)潤滑油泵的凸輪，同時(shí)提高傳動(dòng)件的制造精度和裝配質(zhì)量。(4)提高系統(tǒng)剛度，增加阻尼。提高機(jī)床、工件、刀具的剛度都會(huì)增加系統(tǒng)的抗振性。增大阻尼是提高動(dòng)剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性的有效措施，主要方法是在機(jī)床主軸上加裝電流變液阻尼器、對(duì)滾動(dòng)軸承適當(dāng)預(yù)緊、將型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的零部件臂中，在機(jī)械加工系統(tǒng)中的承受彎曲振動(dòng)的支承件的表面噴涂一層有高內(nèi)阻和較高彈性模量的黏性材料等。(5)調(diào)整振源頻率。 由強(qiáng)迫振動(dòng)的特性可知，當(dāng)激振力的頻率接近系統(tǒng)固有頻率時(shí)，會(huì)發(fā)

8、生共振。因此，在機(jī)械加工過程中，合理安排加工系統(tǒng)的固有頻率，能夠有效預(yù)防共振現(xiàn)象的發(fā)生，其主要措施如下:一是為有效避開系統(tǒng)的固有頻率，可以調(diào)節(jié)激振力頻率。二是在設(shè)計(jì)機(jī)械加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)時(shí)，讓工藝系統(tǒng)各個(gè)部件的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于或者遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于共振區(qū)頻率。三是對(duì)機(jī)械加工設(shè)備中的軸承與鑲條等部件的間隙加以調(diào)整，使其偏離激振頻率。四是調(diào)節(jié)機(jī)械加工系統(tǒng)的一些運(yùn)動(dòng)參數(shù)，有效避免可能產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)的振源頻率，遠(yuǎn)離機(jī)械加工設(shè)備中薄弱模態(tài)的固有頻率。3.4自激振動(dòng)機(jī)械加工過程中，還常常出現(xiàn)一種與強(qiáng)迫振動(dòng)完全不同形式的強(qiáng)烈振動(dòng)。這種振動(dòng)是由振動(dòng)過程本身引起某種切削力的周期性變化，又由這個(gè)周期性變化的切削力反過來加強(qiáng)和維

9、持振動(dòng)，使振動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)充了由阻尼作用消耗的能量，這種類型的振動(dòng)被稱為自激振動(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，常常是影響加工表面質(zhì)量和限制機(jī)床生產(chǎn)率提高的主要障礙。磨削過程中，砂輪磨鈍以后產(chǎn)生的振動(dòng)也往往是自激振動(dòng)。3.4.1自激振動(dòng)的原理金屬切削過程中自激振動(dòng)的原理如圖2所示。它具有兩個(gè)基本部分:切削過程產(chǎn)生交變力，激勵(lì)工藝系統(tǒng)；工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)位移,再反饋給切削過程。維持振動(dòng)的能量來源于機(jī)床的能源。圖2 機(jī)床自激振動(dòng)系統(tǒng)自激振動(dòng)的形成和持續(xù)，是由于加工過程本身產(chǎn)生的激振和反饋?zhàn)饔?，所以若停止切削（或磨削）過程，即使機(jī)床仍繼續(xù)空運(yùn)轉(zhuǎn)，自激振動(dòng)也就停止了，這也是與強(qiáng)

10、迫振動(dòng)的區(qū)別之處。3.4.2消除自激振動(dòng)的途徑（1)減小重疊系數(shù)重疊系數(shù)對(duì)系統(tǒng)再生效應(yīng)的大小影響很大。重疊系數(shù)值由加工方式、刀具的幾何形狀以及切削用量來決定。圖3是兩種加工方式的值。加工螺紋工件時(shí)，工藝系統(tǒng)不會(huì)有再生型自激振動(dòng)產(chǎn)生。而切斷工件時(shí)，所產(chǎn)生的再生效應(yīng)最大。對(duì)于一般外圓，縱向車削時(shí)，為，因此通過改變切削用量和刀具幾何形狀，盡量減小值，可提高切削的穩(wěn)定性。(a)加工螺紋工件時(shí)， (b)切斷工件時(shí)，圖3 兩種加工方式的值（2)合理選擇與切削過程有關(guān)的參數(shù)根據(jù)圖2，自激振動(dòng)的形成是與切削過程本身是密切相關(guān)的，所以可以通過合理地選擇切削用量、刀具幾何角度和工件材料的可切削性等途徑來抑制自激振

11、動(dòng)。合理選擇切削用量。圖4所示是車削時(shí)切削速度與振幅的關(guān)系曲線。在范圍內(nèi)時(shí)，很容易產(chǎn)生自振，而高于或低于此范圍時(shí)，振動(dòng)逐漸減弱。圖4 切削速度與振幅的關(guān)系圖5所示是進(jìn)給量與振幅的關(guān)系曲線，較小時(shí)較大，隨著的增大反而減小。圖 6所示是切削深度與振幅的關(guān)系曲線，切削深度越大，也越大。 圖5 進(jìn)給量與振幅的關(guān)系 圖 6 切削深度與振幅的關(guān)系合理選擇刀具的幾何參數(shù)。主要影響參數(shù)為主偏角和前角。如圖7所示，當(dāng)時(shí)振幅最小，此時(shí)切削力在方向上最小、方向上最大。由于一般工藝系統(tǒng)的剛度在方向比方向上好得多，因此不易起振。由圖8可見，在相同切削速度時(shí)，隨前角的增大，切削力減小，振幅也減小。因此通常采用雙前角消振刀

12、(見圖9)以減小切削力，可取得很好的減振效果。減小后角有利于減振。一般后角取為宜，必要時(shí)在后刀而上磨出帶負(fù)后角的消振棱，形成倒棱減振車刀（如圖10所示）。其特點(diǎn)是刀尖不易切入金屬，且后角小，有減振作用，切削時(shí)穩(wěn)定性好。圖7 主偏角對(duì)振動(dòng)的影響 圖8 前角的影響 圖9 雙前角消振刀圖10 倒棱減振車刀另外，實(shí)際生產(chǎn)中用油石使新刃磨的刃口稍稍鈍化，也很有效。關(guān)于刀尖圓弧半徑，它本來就和加工表面粗糙度有關(guān)，對(duì)加工中的振動(dòng)而言，一般不要取得太大。如果車削中刀尖圓弧半徑與切深近似相等，切削力就會(huì)很大，容易振動(dòng)。車削時(shí)裝刀位置過低或鏜孔時(shí)裝刀位置過高，都易于產(chǎn)生自激振動(dòng)。使用“油”性非常高的潤滑劑也是加工

13、中經(jīng)常使用的一種防振辦法。（3)提高工藝系統(tǒng)本身的抗振性系統(tǒng)工藝統(tǒng)本身的抗振性能是影響顫振的主要因素之一。首先應(yīng)設(shè)法提高工藝系統(tǒng)的接觸剛度，如對(duì)接觸面進(jìn)行刮研，減小主軸系統(tǒng)的軸承間隙，對(duì)滾動(dòng)軸承施加一定的預(yù)緊力，提高頂尖孔的研磨品質(zhì)等。提高機(jī)床的抗振性。機(jī)床的抗振性能往往是占主導(dǎo)地位的，可以從改善機(jī)床剛性、合理安排各部件的固有頻率、增大其阻尼以及提高加工和裝配的質(zhì)量等來提高其抗振性。圖11所示就是具有顯著阻尼特性的薄壁封砂結(jié)構(gòu)床身。 圖11 薄壁封砂床身 圖12 鋼-硬質(zhì)合金的組合刀桿1-環(huán)氧結(jié)合劑；2-硬質(zhì)合金；3-鋼提高刀具的抗振性。提高刀具的抗振性，希望刀具具有高的彎曲與扭轉(zhuǎn)剛度、高的阻

14、尼系數(shù)，因此要求改善刀桿等的慣性矩、彈性模量和阻尼系數(shù)。例如，硬質(zhì)合金雖有高彈性模量，但阻尼性能較差，所以可以和鋼組合使用。圖12所示的組合刀桿就能發(fā)揮鋼和硬質(zhì)合金兩者的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)用細(xì)長刀桿進(jìn)行孔加工時(shí)，應(yīng)采用中間導(dǎo)向支承來提高刀具的抗振性能；減小刀具懸伸長度，一般情況下刀具伸出長度不宜超過刀桿高度的兩倍；采用如圖13所示的切向剛度較高的彈性刀桿，將不易產(chǎn)生刀桿的彎曲高頻振動(dòng)。圖13 彈性刀桿車刀提高工件安裝時(shí)的剛性。主要是提高工件的彎曲剛性。例如，車削加工細(xì)長軸()時(shí)，工件剛性差，易彎曲變形產(chǎn)生振動(dòng)，此時(shí)應(yīng)在采用彈性頂尖及輔助支承(中心架或跟刀架)來提高工件抗振性能的同時(shí)，用冷卻液冷卻以減小工

15、件的熱膨脹變形；當(dāng)用撥盤傳動(dòng)銷撥動(dòng)夾頭傳動(dòng)時(shí)，要保持切削中傳動(dòng)銷和夾頭不發(fā)生脫離等。（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)迫振功和顫振同樣有效，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消振器兩種類型。阻尼器的原理及應(yīng)用。陰尼器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。常用的有固體摩擦阻尼器、液體摩擦阻尼器和電磁阻尼器等。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

16、在振動(dòng)體相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大的地方。消振器的原理及應(yīng)用。圖9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。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。它是通過一個(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，消耗了振功的能量，故可減小振動(dòng)。圖9 沖擊式消振器1自由質(zhì)量；2彈簧；3螺釘圖10所示為車床上使用的沖擊消振器。螺釘1上套有質(zhì)量塊4、彈簧3和套2，當(dāng)車刀發(fā)牛強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量