一、振動對機械加工過程的影響

　　機械加工過程中，工藝系統常常會發(fā)生振動，即在工件和刀具的切削刃之間，除了名義上的切削運動外，還會出現一種周期性的相對運動。產生振動時，工藝系統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振紋，降低了零件的加工精度和表面質量，頻率低時產生波度，頻率高時產生微觀不平度。強烈的振動會使切削過程無法進行，甚至造成刀具 “崩刃 ”。為此，常被迫降低切削用量，致使機床、刀具的工作性能得不到充分的發(fā)揮，限制了生產率的提高。振動還影響刀具的耐用度和機床的壽命，發(fā)出噪聲，惡化工作環(huán)境，影響工人健康。

　　振動按其產生的原因來分類有三種：自由振動、受迫振動和自激振動。據統計，受迫振動約占 30%，自激振動約占 65%，自由振動占比重則很小。自由振動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。這種振動一般可以迅速衰減，因此對機械加工過程的影響較小。而受迫振動和自激振動都是不能自然衰減而且危害較大的振動。下面就這兩種振動形式進行簡單的分析。

　　二、機械加工中的受迫振動

　　（一）受迫振動產生的原因

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

　　1 ．機床上高速回轉零件的不平衡 機床上高速回轉的零件較多，如電動機轉子、帶輪、主軸、卡盤和工件、磨床的砂輪等，由于不平衡而產生激振力 F(即離心慣性力 )。

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

　　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。

　　4 ．外部振源 由鄰近設備 (如沖壓設備、龍門刨等 )工作時的強烈振動通過地基傳來，使工藝系統產生相同 (或整倍數 )頻率的受迫振動。

　　（二）減少受迫振動的途徑

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

　　1 ．減小或消除振源的激振力

　　對轉速在 600r/min以上的零件必須經過平衡 ,特別是高速旋轉的零件 ,如砂輪 ,因其本身砂粒的分布不均勻和工作時表面磨損不均勻等原因 ,容易造成主軸的振動 ,因此對于新換的砂輪必須進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，并可減少噪聲；提高滾動軸承的制造和裝配精度，以減少因滾動軸承的缺陷而引起的振動；選用長短一致、厚薄均勻的傳動帶等。

　　2 ．避免激振力的頻率與系統的固有頻率接近，以防止共振。

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

　　3 ．采用隔振措施

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

　　三、機械加工中的自激振動

　　當系統受到外界或本身某些偶然的瞬時的干擾力作用而觸發(fā)自由振動時，由振動過程本身的某種原因使得切削力產生周期性的變化，并由這個周期性變化的動態(tài)力反過來加強和維持振動，使振動系統補充由阻尼作用所消耗的能量，這種類型的振動稱為自激振動。切削過程中產生的自激振動是頻率較高的強烈振動，通常又稱為顫振。

　　( 一 )自激振動的特點

　　1 ．自激振動是一種不衰減的振動。振動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充，以維持這個振動。

　　2 ．自激振動頻率等于或接近系統的固有頻率，即由系統本身的參數決定。

　　3 ．自激振動振幅大小取決于每一振動周期內系統獲得的能量與消耗能量的比值。當獲得的能量大于消耗的能量時，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。當獲得的能量小于消耗的能量時，自激振動也隨之消失。

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

　　（二）控制自激振動的途徑

　　1 ．合理選擇切削用量

　　圖 5— 5所示是車削時切削速度 與振幅 A的關系曲線。 在 20～ 60m/min范圍內時， A增大很快，而 高于或低于此范圍時，振動逐漸減弱。

　　圖 5— 6所示是進給量 f與振幅 A的關系曲線， f較小時 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的關系曲線， 越大 A也越大。

軸承間隙，對滾動軸承施加一定的預緊力，提高頂尖孔的研磨質量等。加工細長軸時，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 ．采用減振裝置當采用上述措施仍然達不到消振的目的時，可考慮使用減振裝置。減振裝置通常都是附加在工藝系統中，用來吸收或消耗振動時的能量，達到減振的目的。它對抑制強迫振動和顫振同樣有效，是提高工藝系統抗振性的一個重要途徑，但它并不能提高工藝系統的剛度。減振裝置主要有阻尼器和吸振器兩種類型。

　　（ 1）阻尼器的原理及應用 阻尼器是利用固體或液體的阻尼來消耗振動的能量，實現減振。圖 5— 9所示為利用多層彈簧片相互摩擦，消除振動能量的干摩擦阻尼器。阻尼器的減振效果與其運動速度的快慢、行程的大小有關。運動越快、行程越長，則減振效果越好。故阻尼器應裝在振動體相對運動最大的地方。

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

　　①動力式吸振器 它是利用彈性元件把一個附加質量塊連接到系統上，利用附加質量的動力作用，是彈性元件加在系統的力與系統的激振力相互抵消，以此來減弱振動。

　　圖 5— 10所示為用于鏜刀桿的動力吸振器。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 它是由一個與振動系統剛性連接的殼體和一個在殼體內自由沖擊的質量塊組成。當系統振動時，由于自由質量的往復運動而沖擊殼體，消耗了振動的能量，故可減小振動。

　　圖 5— 11所示為螺栓式沖擊吸振器。 當刀具振動時自由質量 1也振動，但由于自由質量與刀具是彈性連接，振動相位相差 180 0 。當刀具向下撓曲時，自由質量卻克服彈簧 2的彈力向上移動。這時自由質量與刀桿之間形成間隙。當刀具向上運動時，自由質量以一定速度向下運動，產生沖擊而消耗能量。

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

　　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在鏜桿上的轉位調整，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 時，不產生自激振動。圖 5— 12c所示的“ 8”字形區(qū)域可知，最適宜的方位角在之間。