机械加工自激振动研究

黄庆杰 唐山冀东水泥股份有限公司唐山分公司

1 自激振动的产生

所有实系统都躲不过能源损耗，而后由振动不断减退从而静止。所以维持持久的等幅振动是靠能量的补充。补充系统外界能量形式有两种：1受迫振动。周期变化产生激力，系统会在此作用下来补充能量，系统维持等幅振动就是通过交变的能量。2自振系统。能量补充也是从外界接受，但不同的是能源不是周期变化的而是恒定的。系统控制能量的输入是靠本身的状态，来拟定一个调节器。交变性的能量就是调节器的作用。输入与耗散的能量达到平衡而接近一定振幅的振动，就是自激振动。自振系统的构成有三部分（耗散系统、恒定的能源、受系统运动状态反馈的调节器）如下图1所示：

图1 自振系统的构成

2 自激振动的特征

2.1 自振系统为非保守系统，因振动过程存在能量的输入与耗散。

2.2 能源恒定，能量的输入受位移、速度调节影响，为自治系统。自激振动频率等于或接近系统的固有频率，即由系统本身的参数决定 。

2.3 它是在切削加工过程中通过不断吸取能量来维持自身稳定的振动.而不是由外界千扰所引起。

2.4 自激振动振幅大小取决于每一振动周期内系统获得的能量与消耗能量的比值。当获得的能量大于消耗的能量时，则振幅将不断增加，一直到两者能量相等为止。反之振幅将不断减小。当获得的能量小于消耗的能量时，自激振动也随之消失。

3 产生自激振动的机理

自激振动与周期激励的响应相比较，依然是一种周期振动，它也是靠外界能源的驱动形成。切削过程中产生的自激振动是一种频率较高的强烈振动，通常又称为颤振。对于它的产生机理，进行了许多研究，但一直没有找到完全成熟的理论，还不能用一种理论来阐明各种状况下的切削(磨削)自激振动。目前运用较多的主要有再生颤振原理、振型耦合颤振原理两种系统理论。

3.1 再生颤振原理

在稳定的切削过程中， 由于偶然的扰动（如刀具碰到工件材料上的硬质点、余量不均匀等），引起工件与刀具发生相对的自由振动，从而在切削表面上留下振纹，当第二次刀具总是完全重复或部分重复地切削到前一次切削过的表面。

3.2 振型耦合颤振原理

当纵车方牙螺纹的外圆表面时(图2)，刀具并不发生重叠切削，若按再生颤振的解释已排除了产生颤振的可能性。但实际加工中，当切削深度达到一定值时，仍会产生颤振，其原因可用“振型耦合理论”说明。

图2 纵车方牙螺纹的外圆表面

4 减少自激振动的途径

4.1 合理选择切削用量

切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓“合理的”切削用量是指充分利用刀具切削性能和机床动力性能(功率、扭矩),在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。

4.2 提高工艺系统的抗振性

提高机床抗振性，改善机床刚度、各部件的固有频率要合理安排，特别是增加机床主轴部件、刀架部件、尾座部件和床身等的刚度。提高机床的制造和装配质童可使接触刚度增加，并能增加阻尼系数，从而使抗振能力增强.

4.3 合理选择刀具几何角度

当合理的刀具材料选定之后，能否使刀具材料发挥应有的效用与刀具是否具有合理的几何形状和结构，以及是否正确使用刀具密切相关，即合理选择切削参数将直接影响到刀具切削能力的发挥，同时对于保证加工质量、提高生产效率、降低加工成本都具有十分重要的意义。

4.4 采用减振装置

当上面所述的措施依旧不能够达到消振的目的，就可以选择减振装置。减振装置通常都是附加在工艺系统中，用来吸收或消耗振动时的能量 ，达到减振的目的。减振装置可分为阻尼减振器、动力减振器、摩擦减振器和冲击减振器。在设计，使用减振器时，要考虑减振效果、体积、重量、结构、使用护以及经济效益等各种因素。

4.5 合理调整振型的刚度比

根据振型耦合原理，工艺系统的振动还受到各振型的刚度比及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，可以有效地提高系统的抗振性，抑制自激振动。

5 加工波纹面的关键技术

车波纹面时应注意以下几点：切削进给速度一定要合理选择，不能过高或过低，要和

刀具材料相匹配；尽量使粗车刀和精车刀1次装夹完成加工任务，以减少频繁换刀造成的对刀误差。

6 总结

机械制造技术的发展日新月异，需要我们学习和掌握的东西非常多，而技术工人只局限于操作是远远不够的。企业要发展，就必须融入越来越多的先进制造技术的理念和实践。

[1]江志国.浅析机械振动的原因及其防止措施[J].现代经济信息.2017(08)

[2]丁向阳,冯高头,编.机械加工常见异常现象分析及解决方法[M].机械工业出版社, 2017