机械振动的原因及其防止措施

机械振动的原因及其防止措施邓显欣 09 机电二班【摘 要】：机械在其加工产品过程中会产生振动，恶化加工表面质量，损坏切削刀具，降 低生产率。本文围绕振动的类型、产生的原因进行了详细地阐述，并提出了消减强迫振动和 自激振动的措施，对于保证加工工件的质量要求，提高生产率，创造良好工作环境具有重要 的现实意义。振动是在机械加工过程中，因机床工件或刀具发生周期性的跳动。它会使工 件已加工表面上出现条痕或布纹状痕迹，使表面光洁度显著下降，还会使机床、 夹具中的连接零件松动，缩短机床使用寿命，影响工件在夹具中的正确定位。一、机械加工振动的特征振动分强迫振动和自激振动两种类型。具体特征如下。（一）强迫振动 强迫振动是物体受到一个周期变化的外力作用而产生的振 动。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。强迫振动的特点是：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。（二）自激振动（颤振） 由振动系统本身在振动过程中激发产生的交变力 所引起的不衰减的振动，就是自激振动。即使不受到任何外界周期性干扰力的作 用，振动也会发生。如在磨削过程中砂轮对工件产生的摩擦会引起自激振动。工 件、机床系统刚性差，或砂轮特性选择不当，都会使摩擦力加大，从而使自激振 动加剧。或由于刀具刚性差、刀具几何角度不正确引起的振动，都属于自激振动。自激振动的特点是：1. 自激振动的频率等于或接近系统的固有频率。按频率的高低可分为高频颤 振（一般频率在5005000Hz）及低频颤振（一般频率为50500Hz）。2. 自激振动能否产生及其振幅的大小，决定于每一振动内系统所获得的能量 与阻尼消耗能量的对比情况。二、振动产生的原因分析产生振动的原因复杂多变，根据机加工行业出现的振动现象及两种不同类型 振动的表现形式，分析原因，大致如下：（一）强迫振动产生的原因：1. 机床上回转件不平衡所引起的周期性变化的离心力。如由于电机或卡盘、 皮带轮回转不平衡引起的。2. 机床传动零件缺陷所引起的周期性变化的传动力。如因刀架、主轴轴承、 拖板塞铁等机床部件松动或齿轮、轴承等传动零件的制作误差而引起的周期性振 动。3. 切削过程本身不均匀性所引起的周期性变化的切削力。如车削多边形或表 面不平的工件及在车床上加工外形不规则的毛坯工件。4. 往复运动部件运动方向改变时产生的惯性冲击。如平面磨削过程的方向改 变或瞬时改变机床的回转方向。5. 由外界其他振源传来的干扰力。在锻造车间附近，因空气锤的振动引起其 他机床的强迫振动，甚至共振。（二）自激振动产生的原因:1. 切削过程中，切屑与刀具、刀具与工件之间摩擦力的变化。2. 切削层金属内部的硬度不均匀。在车削补焊后的外圆或端面而出现的硬度 不均现象，常常引起刀具崩刀及车床自振现象。3. 刀具的安装刚性差，如刀杆尺寸太小或伸出过长，会引起刀杆颤动。4. 工件刚性差。如加工细长轴等刚性较差工件，会导致工件表面出现波纹或 锥度。5. 积屑瘤的时生时灭，时切削过程中刀具前角及切削层横截面积不时改变。三、防止和消除振动的方法（一）消减强迫振动的措施: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。（二）消减自激振动的措施：1.调整振动系统小刚度主轴的位置，使其处于切削力F与加工表面的法线方 向的夹角范围之外，如镗孔时采用削扁镗杆，车外圆时，车刀反装。2通过改变切削用量和刀具几何形状，减小重叠系数，如采用直角偏刀车外 圆。3减小切削速度，增大进给、主偏角、前角；4适当提高切削速度；改善被加工材料的可加工性。5增加切削阻尼；适当减小刀具的后角；在后刀面上磨出消振棱；适当增大 钻头的横刃；适当使刀尖高于（车外圆）、低于（樘内孔）工件中心线，以获得 小的工作后角。为消减刀具的高频振动，宜增大刀具的后角和前角。6. 调整切削速度，避开临界切削速度。在切断、车端面或使用宽刃刀具、成 形刀具和螺纹刀具时，宜取切削速度小于临界切削速度。纵车和切环形工件端面 时，切削速度大于临界切削速度等。7. 提高工艺系统刚度，可提高抗振性。车刀安装时不宜伸出过长，镗刀尽可 能选得短而粗；尽量缩短尾座套筒的伸出长度；加工细长轴时，采用中心架或跟 刀架，或用主偏角很大的细长轴车刀来消除振动。参考文献：1 机械设计手册，机械工业出版社2 机械加工手册，机械工业出版社3 马晓春我国现代机械制造技术的发展趋势J.森林工程，2002 (3)