機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中加工中都會有不同程度的震動，這些震動可能會對生產(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、自激振動的規(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)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，向國內(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。讀者對象為從事機(jī)械科學(xué)技術(shù)的研究、設(shè)計、實(shí)驗、開發(fā)、應(yīng)用與教學(xué)的科技工作者、管理干部、情報人員及理科院校師生。

　　一、機(jī)械加工過程中的強(qiáng)迫振動

　　強(qiáng)迫振動是工藝系統(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。強(qiáng)迫振動時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)外部兩方面。工藝系統(tǒng)內(nèi)部由刀具和工件組成的切削系統(tǒng)，但總的都是指振動系統(tǒng)以外。

　　1.產(chǎn)生強(qiáng)迫振動的原因。

　　(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，交通運(yùn)輸設(shè)備的振動，以及橋梁建筑的振動源經(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。

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

　　(3)機(jī)床傳動系統(tǒng)中的誤差。機(jī)床傳動系統(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、軸承滾動體尺寸的不均勻和液壓傳動中油壓脈動等諸種因素均可引起強(qiáng)迫振動。(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，都會產(chǎn)生強(qiáng)迫振動。

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

　　如果系統(tǒng)的振幅為A1 時，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，有Wf=Wc。振動又變成穩(wěn)態(tài)振動。由此可見，系統(tǒng)的振幅表示了系統(tǒng)對外界能量的吸收能力。當(dāng)相位差φ =π /2 時(即系統(tǒng)共振)，每周期吸收外界的能量是最多的，然而這時阻尼對系統(tǒng)振幅的限制也是最大的。

　　3.減小強(qiáng)迫振動的途徑。強(qiáng)迫振動是由外界周期性外激振力引起的，因此，消除振動，應(yīng)先找出振源，然后采取對應(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;對轉(zhuǎn)速在600r/min 以上的轉(zhuǎn)動零件，如砂輪、卡盤、電動機(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，因此，對于新?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;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

　　該振動是機(jī)械加工中經(jīng)常出現(xiàn)的另一種形式的強(qiáng)烈振動，由振動過程本身引起的切削力產(chǎn)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(qiáng)和維持振動，使振動系統(tǒng)補(bǔ)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(chǎn)生的自激振動是頻率較高的強(qiáng)烈振動，又稱為顫振。

　　1.形成自激振動的物理條件──系統(tǒng)的能量關(guān)系。機(jī)械加工中的自激振動不同于受迫振動，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。系統(tǒng)運(yùn)動一停止，交變力也隨之消失，自激振動也就停止。圖2 所示揭示了自激振動系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)。由圖2 可以看出，自激振動系統(tǒng)是一個由振動系統(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)定振動的條件為：在一個振動周期內(nèi)，從能源機(jī)構(gòu)經(jīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸入振動系統(tǒng)的能量必須等于系統(tǒng)阻尼所消耗的能量。振動系統(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，系統(tǒng)獲得的能量大于消耗的能量，振動表現(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.自激振動的特點(diǎn)。(1)自激振動是一種不衰減振動。外部振源在開始時起觸發(fā)作用，但維持振動所需的交變力是由振動過程本身產(chǎn)生的。所以，當(dāng)切削運(yùn)動一但停止，交變力隨之消失，自激振動也就停止。

　　(2)自激振動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)自激振動是否產(chǎn)生以及振幅的大小，取決于振動系統(tǒng)在每一個振動周期內(nèi)，從能源輸人到振動系統(tǒng)的能量是否等于振動系統(tǒng)所消耗的能量對比情況。如果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。獲得的能量小于消耗的能量時，自激振動也隨之消失。

　　3.控制自激振動的途徑。

　　(1)合理選擇切削用量圖4 所示是車削時對切削速度Vc 與振幅A 的關(guān)系曲線。當(dāng)Vc 在20～60m/min 范圍內(nèi)時，A 增大很快，而Vc 高于或低于此范圍時，振動逐漸減弱。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。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。但由于ap 減小會降低生產(chǎn)率，所以通常采用調(diào)整Vc和f 來抑制切削自激振動。

　　(2)合理選用刀具的幾何參數(shù)。試驗和理論研究表明，刀具的幾何參數(shù)中，對振動影響最大的是前角γ 0 和主偏角kr。由于切屑越寬越容易產(chǎn)生振動，而kr 越小，切削寬度越寬，越易產(chǎn)生振動，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)的動剛度;減小主軸系統(tǒng)的軸承間隙，對滾動軸承施加一定的預(yù)緊力，提高頂尖孔的研磨質(zhì)量等。加工細(xì)長軸時，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，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時的能量，達(dá)到減振的目的。它對消除強(qiáng)迫振動和自激振動同樣有效，是提高工藝系統(tǒng)抗振性的一個重要途徑，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。

　　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. 金屬切削原理與刀具[J]. 北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1988