機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中加工中都會(huì)有不同程度的震動(dòng)，這些震動(dòng)可能會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率產(chǎn)生一定影響。本文分析機(jī)械加工過程中出現(xiàn)的強(qiáng)迫振動(dòng)、自激振動(dòng)的規(guī)律和危害進(jìn)行探討。

　　《機(jī)械科學(xué)與技術(shù)》(月刊)曾用刊名：(機(jī)械設(shè)計(jì))創(chuàng)刊于1981年，由西北工業(yè)大學(xué)主辦，從2004年開始為月刊，大16K，每期正文128頁(yè)，向國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行。辦刊宗旨：力求反映機(jī)械科學(xué)與技術(shù)的研究成果及其在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用成果。讀者對(duì)象為從事機(jī)械科學(xué)技術(shù)的研究、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、開發(fā)、應(yīng)用與教學(xué)的科技工作者、管理干部、情報(bào)人員及理科院校師生。

　　一、機(jī)械加工過程中的強(qiáng)迫振動(dòng)

　　強(qiáng)迫振動(dòng)是工藝系統(tǒng)在外界周期性干擾力(激振力)作用下所引起和維持的振動(dòng)。強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)外界干擾力的含義很廣，可分工藝系統(tǒng)內(nèi)部和工藝系統(tǒng)外部?jī)煞矫妗９に囅到y(tǒng)內(nèi)部由刀具和工件組成的切削系統(tǒng)，但總的都是指振動(dòng)系統(tǒng)以外。

　　1.產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)的原因。

　　(1)系統(tǒng)外部的周期性干擾力。如機(jī)床附近的設(shè)備振動(dòng)，交通運(yùn)輸設(shè)備的振動(dòng)，以及橋梁建筑的振動(dòng)源經(jīng)過地基傳入正在進(jìn)行加工的機(jī)床，而引起工藝系統(tǒng)的振動(dòng)。

　　(2)離心慣性力。如電機(jī)皮帶輪、齒輪、傳動(dòng)軸、砂輪、工件等因質(zhì)量偏心在高速回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力，以及往復(fù)運(yùn)動(dòng)部件換向時(shí)的沖擊等都是成為引起振動(dòng)的激振力。

　　(3)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，皮帶接頭、軸承滾動(dòng)體尺寸的不均勻和液壓傳動(dòng)中油壓脈動(dòng)等諸種因素均可引起強(qiáng)迫振動(dòng)。(4)切削過程的間歇特性。如銑削、拉削等加工，將導(dǎo)致切削力的周期性改變，以及加工斷續(xù)表面，都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。

　　2. 強(qiáng)迫振動(dòng)中的能量關(guān)系。圖1 表示W(wǎng)f、Wc 與B 的關(guān)系。圖中Wf 為一個(gè)周期內(nèi)激振力所做的功，Wc 為阻尼力在一個(gè)周期內(nèi)做的負(fù)功，A 為振幅。

　　如果系統(tǒng)的振幅為A1 時(shí)，一周期內(nèi)激振力做的功Wf 大于阻尼消耗的能量Wc，則強(qiáng)迫振動(dòng)的振幅將增加。由于輸入的能量與A 成正比，而消耗的能量與A2 成正比，故當(dāng)振幅達(dá)到A2 時(shí)，有Wf=Wc。振動(dòng)又變成穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。由此可見，系統(tǒng)的振幅表示了系統(tǒng)對(duì)外界能量的吸收能力。當(dāng)相位差φ =π /2 時(shí)(即系統(tǒng)共振)，每周期吸收外界的能量是最多的，然而這時(shí)阻尼對(duì)系統(tǒng)振幅的限制也是最大的。

　　3.減小強(qiáng)迫振動(dòng)的途徑。強(qiáng)迫振動(dòng)是由外界周期性外激振力引起的，因此，消除振動(dòng)，應(yīng)先找出振源，然后采取對(duì)應(yīng)的措施加以控制。

　　(1)減小或消除振源的激振力。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);對(duì)轉(zhuǎn)速在600r/min 以上的轉(zhuǎn)動(dòng)零件，如砂輪、卡盤、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等必須給予平衡，特別是高速旋轉(zhuǎn)的零件，如砂輪，其本身砂粒的分布不均勻和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、后的兩次平衡;提高滾動(dòng)軸承的制造和裝配精度;以斜齒輪或人字輪替代直齒輪;選用較完善的皮帶接頭、厚薄均勻的傳動(dòng)帶等。

　　(2)調(diào)節(jié)振源頻率。盡可能使旋轉(zhuǎn)件的頻率遠(yuǎn)離機(jī)床的固有頻率，也就是避開共振區(qū)。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、消除間隙、提高接觸剛度等方法，從而提高系統(tǒng)的剛度和固有頻率。

　　(3)消振和隔震。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;采用隔震材料(厚橡皮、木材)將機(jī)床地基隔離，用防振溝隔開設(shè)備的基礎(chǔ)和地面的聯(lián)系。

　　二、機(jī)械加工過程中的自激振動(dòng)

　　該振動(dòng)是機(jī)械加工中經(jīng)常出現(xiàn)的另一種形式的強(qiáng)烈振動(dòng)，由振動(dòng)過程本身引起的切削力產(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)，又稱為顫振。

　　1.形成自激振動(dòng)的物理條件──系統(tǒng)的能量關(guān)系。機(jī)械加工中的自激振動(dòng)不同于受迫振動(dòng)，它不是外加的激振力作用在工藝過程管中，而是由工藝過程本身引起的交變力作用而產(chǎn)生的振動(dòng)。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)一停止，交變力也隨之消失，自激振動(dòng)也就停止。圖2 所示揭示了自激振動(dòng)系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)。由圖2 可以看出，自激振動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)由振動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成的閉環(huán)系統(tǒng)。可以看出系統(tǒng)維持穩(wěn)定振動(dòng)的條件為：在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，從能源機(jī)構(gòu)經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入振動(dòng)系統(tǒng)的能量必須等于系統(tǒng)阻尼所消耗的能量。振動(dòng)系統(tǒng)的能量輸入和能量消耗的關(guān)系，如圖3 所示。能量的輸入和消耗都是振幅A 的函數(shù)。

　　圖3 中能量消耗為E+，能量輸入為E-，在A1 處當(dāng)月E+>E- 時(shí)，系統(tǒng)獲得的能量大于消耗的能量，振動(dòng)表現(xiàn)為繼續(xù)加強(qiáng)，當(dāng)振幅不斷增大，直至A0 處，E+=E- 為止;如A2 處，若E+

　　2.自激振動(dòng)的特點(diǎn)。(1)自激振動(dòng)是一種不衰減振動(dòng)。外部振源在開始時(shí)起觸發(fā)作用，但維持振動(dòng)所需的交變力是由振動(dòng)過程本身產(chǎn)生的。所以，當(dāng)切削運(yùn)動(dòng)一但停止，交變力隨之消失，自激振動(dòng)也就停止。

　　(2)自激振動(dòng)的頻率接近或等于系統(tǒng)的固有頻率，即由系統(tǒng)本身的參數(shù)所決定。(3)自激振動(dòng)是否產(chǎn)生以及振幅的大小，取決于振動(dòng)系統(tǒng)在每一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，從能源輸人到振動(dòng)系統(tǒng)的能量是否等于振動(dòng)系統(tǒng)所消耗的能量對(duì)比情況。如果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。獲得的能量小于消耗的能量時(shí)，自激振動(dòng)也隨之消失。

　　3.控制自激振動(dòng)的途徑。

　　(1)合理選擇切削用量圖4 所示是車削時(shí)對(duì)切削速度Vc 與振幅A 的關(guān)系曲線。當(dāng)Vc 在20～60m/min 范圍內(nèi)時(shí)，A 增大很快，而Vc 高于或低于此范圍時(shí)，振動(dòng)逐漸減弱。圖5 所示是進(jìn)給量f 與振幅A 的關(guān)系曲線，從圖中看出，當(dāng)f 較小時(shí)振幅較大，隨著f 的增加而振幅減小。所以，在加工表面粗糙度允許的情況下應(yīng)適當(dāng)加大f 以減小自激振動(dòng)。圖6 所示是背吃刀量ap 與振幅A 的關(guān)系曲線，圖中可以看出，隨著ap 的增加，振幅也增大。因此，減小ap，可以減小自激振動(dòng)。但由于ap 減小會(huì)降低生產(chǎn)率，所以通常采用調(diào)整Vc和f 來抑制切削自激振動(dòng)。

　　(2)合理選用刀具的幾何參數(shù)。試驗(yàn)和理論研究表明，刀具的幾何參數(shù)中，對(duì)振動(dòng)影響最大的是前角γ 0 和主偏角kr。由于切屑越寬越容易產(chǎn)生振動(dòng)，而kr 越小，切削寬度越寬，越易產(chǎn)生振動(dòng)，前角γ 0 越大，切削力越小，排削變形也越小，振幅也越小。

　　(3)提高工藝系統(tǒng)的抗振性。同樣，工藝系統(tǒng)本身的抗振性能也是影響顫振的主要因素之一。應(yīng)設(shè)法提高工藝系統(tǒng)的接觸剛度，如增強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)的動(dòng)剛度;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，提高頂尖孔的研磨質(zhì)量等。加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，使用中心架和跟刀架，盡量縮短刀具的懸伸量，用死頂尖代活頂尖，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(如各種吸振器)。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)消除強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)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。

　　(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)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]趙志修. 機(jī)械制造工藝學(xué)[J]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989

　　[2]機(jī)械制造委員會(huì). 金屬切削原理與刀具[J]. 北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1988