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1、机械加工振动对表面质量的影响及其控制一、机械振动现象及分类1机械振动现象及其对表面质量的影响 在机械加工过程中，工艺系统有时会发生振动（人为地利用振动来进行加工服务的振 动车削、振动磨削、振动时效、超声波加工等除外），即在刀具的切削刃与工件上正在切削 的表面之间，除了名义上的切削运动之外，还会出现一种周期性的相对运动。这是一种破坏 正常切削运动的极其有害的现象，主要表现在：1）振动使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏，使加工表面出现振纹，增大表面 粗糙度值，恶化加工表面质量；2）振动还可能引起刀刃崩裂，引起机床、夹具连接部分松动，缩短刀具及机床、夹具 的使用寿命；3）振动限制了切削用量的进一
2、步提高，降低切削加工的生产效率，严重时甚至还会使 切削加工无法继续进行；4）振动所发出的噪声会污染环境，有害工人的身心健康。 研究机械加工过程中振动产生的机理，探讨如何提高工艺系统的抗振性和消除振动的 措施，一直是机械加工工艺学的重要课题之一。2机械振动的基本类型机械加工过程的振动有三种基本类型： 强迫振动 强迫振动是指在外界周期性变化的干扰力作用下产生的振动。磨削加工 中主要会产生强迫振动。 自激振动 自激振动是指切削过程本身引起切削力周期性变化而产生的振动。切削 加工中主要会产生自激振动。 自由振动 自由振动是指由于切削力突然变化或其它外界偶然原因引起的振动。自 由振动的频率就是系统的固有
3、频率，由于工艺系统的阻尼作用，这类振动会在外界干扰力去 除后迅速自行衰减，对加工过程影响较小。机械加工过程中振动主要是强迫振动和自激振动。据统计，强迫振动约占 30%，自激 振动约占 65%，自由振动所占比重则很小。二、机械加工中的强迫振动及其控制1机械加工过程中产生强迫振动的原因 机械加工过程中产生的强迫振动，其原因可从机床、刀具和工件三方面去分析。 机床方面 机床中某些传动零件的制造精度不高，会使机床产生不均匀运动而引起 振动。例如齿轮的周节误差和周节累积误差，会使齿轮传动的运动不均匀，从而使整个部件 产生振动。主轴与轴承之间的间隙过大、主轴轴颈的椭圆度、轴承制造精度不够，都会引起 主轴箱
4、以及整个机床的振动。另外，皮带接头太粗而使皮带传动的转速不均匀，也会产生振 动。机床往复机构中的转向和冲击也会引起振动。至于某些零件的缺陷，使机床产生振动则 更是明显。 刀具方面 多刃、多齿刀具如铣刀、拉刀和滚刀等，切削时由于刃口高度的误差或 因断续切削引起的冲击，容易产生振动。 工件方面 被切削的工件表面上有断续表面或表面余量不均、硬度不一致，都会在 加工中产生振动。如车削或磨削有键槽的外圆表面就会产生强迫振动。工艺系统外部也有许多原因造成切削加工中的振动，例如一台精密磨床和一台重型机床 相邻，这台磨床就有可能受重型机床工作的影响而产生振动，影响其加工表面的粗糙度。2强迫振动的特点1）强迫振
5、动的稳态过程是谐振，只要干扰力存在，振动就不会被阻尼衰减掉，去除干 扰力，振动就停止。2）强迫振动的频率等于干扰力的频率。3）阻尼愈小，振幅愈大，谐波响应轨迹的范围愈大；增加阻尼，能有效地减小振幅。4）在共振区，较小的频率变化会引起较大的振幅和相位角的变化。3消除强迫振动的途径 强迫振动是由于外界干扰力引起的，因此必须对振动系统进行测振试验，找出振源，然 后采取适当措施加以控制。消除和抑制强迫振动的措施主要有：1）改进机床传动结构，进行消振与隔振 消除强迫振动最有效的办法是找出外界的干 扰力（振源）并去除之。如果不能去除，则可以采用隔绝的方法，如机床采用厚橡皮或木材 等将机床与地基隔离，就可以
6、隔绝相邻机床的振动影响。精密机械、仪器采用空气垫等也是 很有效的隔振措施。2）消除回转零件的不平衡 机床和其他机械的振动，大多数是由于回转零件的不平衡 所引起，因此对于高速回转的零件要注意其平衡问题，在可能条件下，最好能做动平衡。3）提高传动件的制造精度 传动件的制造精度会影响传动的平衡性，引起振动。在齿轮啮合、滚动轴承以及带传动等传动中，减少振动的途径主要是提高制造精度和装配质量。4）提高系统刚度，增加阻尼 提高机床、工件、刀具和夹具的刚度都会增加系统的抗 振性。增加阻尼是一种减小振动的有效办法，在结构设计上应该考虑到，但也可以采用附加 高阻尼板材的方法以达到减小振动的效果。5）合理安排固有
7、频率，避开共振区 根据强迫振动的特性，一方面是改变激振力的频 率，使它避开系统的固有频率；另一方面是在结构设计时，使工艺系统各部件的固有频率远 离共振区。三、机械加工中的自激振动及其控制1自激振动产生的机理机械加工过程中，还常常出现一种与强迫振动完全不同形式的强烈振动，这种振动是当 系统受到外界或本身某些偶然的瞬时干扰力作用而触发自由振动后，由振动过程本身的某种 原因使得切削力产生周期性变化，又由这个周期性变化的动态力反过来加强和维持振动，使 振动系统补充了由阻尼作用消耗的能量，这种类型的振动被称为自激振动。切削过程中产生 的自激振动是频率较高的强烈振动，通常又称为颤振。自激振动常常是影响加工
8、表面质量和 限制机床生产率提高的主要障碍。磨削过程中，砂轮磨钝以后产生的振动也往往是自激振动。为了解释切削过程中的自激振动现象，现以电铃的工作原理加以说明。图 3-9所示的电铃系统中，电池1 为能源。按下按钮2时，电流通过触点3弹簧片7电磁铁5与电 池构成回路。电磁铁产生磁力吸引衔铁4，带动小锤 6。而当弹簧片被吸引时，触点3 处断 电，电磁铁失去磁性，小锤靠弹簧片弹回至原处，于是重复刚才所述的过程。这个过程显然 不存在外来周期性干扰，而是由系统内部的调节元件产生交变力，由这种交变力产生并维持金属切削过程中自激振动的原理如图3-10 所示，它也有两个基本部分：切削过程产生的交变力AP激励工艺系
9、统，工艺系统产生振动位移AY再反馈给切削过程。维持振动的能量来源于机床的能量。图3-10机床自激振动系统2自激振动的特点自激振动的特点可简要地归纳如下：1）自激振动是一种不衰减的振动。振动过程本身能引起某种力周期地变化，振动系统 能通过这种力的变化，从不具备交变特性的能源中周期性地获得能量补充，从而维持这个振 动。外部的干扰有可能在最初触发振动时起作用，但是它不是产生这种振动的直接原因。2）自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率，也就是说，由振动系统本身的参数 所决定，这是与强迫振动的显著差别。3）自激振动能否产生以及振幅的大小，取决于每一振动周期内系统所获得的能量与所 消耗的能量的对比情况
10、。当振幅为某一数值时，如果所获得的能量大于所消耗的能量，则振 幅将不断增大；相反，如果所获得的能量小于所消耗的能量，则振幅将不断减小，振幅一直 增加或减小到所获得的能量等于所消耗的能量时为止。当振幅在任何数值时获得的能量都小 于消耗的能量，则自激振动根本就不可能产生。4）自激振动的形成和持续，是由于过程本身产生的激振和反馈作用，所以若停止切削 或磨削过程，即使机床仍继续空运转，自激振动也就停止了，这也是与强迫振动的区别之处， 所以可以通过切削或磨削试验来研究工艺系统或机床的自激振动，同时也可以通过改变对切 削或磨削过程有影响的工艺参数，如切削或磨削用量，来控制切削或磨削过程，从而限制自 激振动
11、的产生。3消除自激振动的途径由通过试验研究和生产实践产生的关于自激振动的几种学说可知，自激振动与切削过程 本身有关，与工艺系统的结构性能也有关，因此控制自激振动的基本途径是减小和抵抗激振 力的问题，具体说来可以采取以下一些有效的措施： 合理选择与切削过程有关的参数 自激振动的形成是与切削过程本身密切有关的， 所以可以通过合理地选择切削用量、刀具几何角度和工件材料的可切削性等途径来抑制自激 振动。1）合理选择切削用量 如车削中，切削速度v在2060m/min范围内，自激振动振幅 增加很快，而当v超过此范围以后，则振动又逐渐减弱了，通常切削速度v在5060m / min左右时切削稳定性最低，最容易
12、产生自激振动，所以可以选择高速或低速切削以避免自激振动。关于进给量f通常当f较小时振幅较大，随着f的增大振幅反而会减小，所以可以在 表面粗糙度要求许可的前提下选取较大的进给量以避免自激振动。背吃刀量 ap 愈大，切削 力愈大，愈易产生振动。2）合理选择刀具的几何参数 适当地增大前角卩。、主偏角kc，能减小切削力而减小振 动。后角可尽量取小，但精加工中由于背吃刀量a较小，刀刃不容易切入工件，而且opo 过小时，刀具后刀面与加工表面间的摩擦可能过大，这样反而容易引起自激振动。通常在刀 具的主后刀面下磨出一段ao角为负值的窄棱面，如图3T1就是一种很好的防振车刀。另外， 实际生产中还往往用油石使新刃
13、磨的刃口稍稍钝化，也很有效。关于刀尖圆弧半径，它本来 就和加工表面粗糙度有关，对加工中的振动而言，一般不要取得太大，如车削中当刀尖圆弧 半径与背吃刀量近似相等时，则切削力就很大，容易振动。车削时装刀位置过低或镗孔时装使用“油”性非常高的润滑剂也是加工中经常使用的一种防振办法。 提高工艺系统本身的抗振性1）提高机床的抗振性 机床的抗振性能往往占主导地位，可以从改善机床的刚性、合理安排各部件的固有频率、增大阻尼以及提高加工和装配的质量等来提高其抗振性。如图3-12就是具有显著阻尼特性的薄壁封砂结构床身。图3-12薄壁封砂床身2）提高刀具的抗振性 通过刀杆等的惯性矩、弹性模量和阻尼系数，使刀具具有高
14、的 弯曲与扭转刚度、高的阻尼系数，例如硬质合金虽有高弹性模量，但阻尼性能较差，因此可 以和钢组合使用，以发挥钢和硬质合金两者之优点。3）提高工件安装时的刚性 主要是提高工件的弯曲刚度，如细长轴的车削中，可以使用中心架、跟刀架，当用拨盘传动销拨动夹头传动时要保持切削中传动销和夹头不发生脱离 使用消振器装置 图 3-13 是车床上使用的冲击消振器，图中6 是消振器座，螺钉 1 上套有质量块4、弹簧3和套 2，当车刀发生强烈振动时，4就在6和1的头部之间作往复 运动，产生冲击，吸收能量。图3-14 是镗孔用的冲击消振器。图中1 为镗杆，2 为镗刀，3 为工件，4 为冲击块（消振质量），5 为塞盖。冲击块安置在镗杆的空腔中，它与空腔间保持 0.050.10mm 的间隙。当镗杆发生振动时，冲击块将不断撞击镗杆吸收振动能量，因此能消 除振动。这些消振装置经生产使用证明，都具有相当好的抑振效果，并且可以在一定范围内图 3 - 15 为一利用多层弹簧片间的相互摩擦来消除振动的干摩擦阻尼装置。图 3 - 16 为图3-16液体阻尼器
机械加工振动对表面质量的影响及其控制
