于沚汕
摘 要：在机械加工过程中，工艺系统振动是一种常见的现象，会影响加工质量和降低生产率，甚至会使切削不能继续进行，对切削加工非常不利，其中工艺系统振动类型主要包括自由振动，强迫振动以及自激振动，其中消除自激振动对于提高表面质量有着重要意义。本文对此进行了分析。
关键词：机械加工;工艺系统振动;控制措施
引言
机械振动在机械加工过程中是常见的。如果机械加工过程中机械振动的频率比较高，不仅会产生令人感到厌烦的噪音，降低生产效率，而且会影响加工产品的质量，与此同时，会损坏加工工具。机械加工过程中机械振动在所难免，但是我们可以把振动降到最低，所以必须采取的有效措施，使机械振动的频率最小化，不仅延长加工工具的使用寿命，而且可以提高加工效率。本文对机械加工过程中振动现象产生的原因及其特征进行了分析，并提出了针对性的解决措施，希望能为从事机械加工的人员提供一定的参考价值。
1 机械加工过程中振动的分类
机械加工过程中振动主要就是有下面三点，首先就是强迫振动。强迫振动主要是在机械加工过程中受到有规律的外力的作用出现的一种振动，这是系统被迫产生的振动。强迫振动可以分为机内振源和机外振源振动。其次就是自由振动。
当系统受到初始干扰力而破坏了其平衡状态后，仅靠弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。最后就是自激振动。自激振动的产生主要是系统在工作是本身的振动产生的外力，这种外力的产生也会一想到其它工作部位的振动。
2 自激振动的含义及其产生
一把横过小提琴弦的琴弓，产生弓和弦之间的相互作用，从而产生声音。声音或是悦耳，或是刺耳，则取决于小提琴手的技巧。同样的，横过工件的一把铣刀，产生刀具与工件之间的相互作用。刀具与主轴一起振动。这振动在零件上留下许多细微的波纹。这些波纹会使刀刃受到变动的载荷。把这种效果称为振颤。正像小提琴的声音一样，高速铣销过程也可能是刺耳的或悦耳的。有时候振动系统虽未受周期性干扰力持续作用，也会产生持续的振动，则称之为自激振动，一般也称之为切削颤振。维持这种振动的交变力是振动系统在自身系统中激发出来的，自激系统是机床振动系统本身的调节环节把外界固定能源的能量转变为维持振动的交变力，从而引起的刀具刀件之间持续的周期性振动，若切削过程一旦停止，即使机床仍继续空运转，自激振动也就停止，這也是与强迫振动的区别之处。所以可通过切削试验来研究工艺系统或机床的自激振动。也可以通过改变对切削过程有影响的工艺参数来控制切削过程，从而限制自激振动的产生。
3 自激振动的产生
工艺系统中诱发自激振动产生方式有多种，如负摩擦颤振，再生颤振和主振模态耦合颤振等。
4 自激振动的消除
消除机床自激振动对于提高表面质量有重要意义，主要途径有：
4.1 合理选择与切削过程有关的参数
由于自激振动的形成是与切削过程本身密切相关的，所以可通过合理的选择切削用量、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
车销中，当切削速度v在20到60m/min范围内时，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50到60m/min左右稳定性最低，最容易产生自激振动，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的增大振幅反而会变小，所以可以在加工粗糙度许可条件下选取较大的进给量来避免自激振动。切削深度越大，切削力越大，越容易产生振动。
（2）合理选择刀具的几何参数
使当地增大前角、主偏角，能够减小切削力而减小振动。后角可尽量取小，但精加工中由于切深较小，刀刃不容易切入工件，而且切深过小时，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后角为负的窄棱面，具有很好的抗振性。
4.2 提高工艺系统本身的抗振性
（1）工艺系统本身的抗振性能是影响颤振的主要因素之一。首先应设法提高工艺系 统的接触刚度，如对接触面进行刮研，减小主轴系统的轴 承间隙，对滚动轴承施加一定的预紧力，提高顶尖孔的研 磨品质等。
加工细长轴（L/D>12）时，工件刚性差，易弯曲变形产生振动，此时应在采用弹性顶尖及辅助支承（中心架或 跟刀架）来提高工件抗振性能的同时，用冷却液冷却以减 小工件的热膨胀变形。
当用细长刀杆进行孔加工时，应采用中间导向支承来提高刀具的抗振性能;减小刀具悬伸长度，一般情况下刀具伸出长度不宜超过刀杆高度的两倍;采用如图8所示的切向刚度较高的弹性刀杆，将不易产生刀杆的弯曲高频振动。刀具高速自振时，宜提高转速和切削速度，以提高切削温度，消除刀具后刀面摩擦力下降特性和由此引起的自 振，但切削速度不宜>1.33 rn/s[80（m/rain）]。在增加工艺系统刚度的同时，应尽量减小构件的自身质量，应“以最轻的质量获得最大的刚度”作为结构设计的一个重要原则。
（2）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以及其组合的影响。合理调整它们之间的关系，就可以有效地提高系统的抗振性，制自激振动。
（3）采用减振装置
当采用上述各种措施仍无法控制振动时，可考虑使用消振减振装置。减振装置通常都是附加在工艺系统中，通过吸收或消耗振动能量，达到减振的目的。它对抑制自激振动有同样的效果，是提高工艺系统抗振性的一个重要途径。
（4）提高工件安装时的刚性
主要是提高工件的弯曲刚性，如细长轴的车销中，可以使用中心架和刀架等。
5 结语
通过对切削加工过程中产生振动的原因和特性的分析，采取相应的减振措施，可使切削加工中的振动现象明显减小，大大提高工件表面品质及生产率。但完全消除振动现象，尚待进一步深入研究振动机理、寻找产生原因及消除措施。另一方面，近几十年来，通过研究发现，如果科学合理地利用振动，反而可以更好地进行切削，如振动切削和磨削，都是利用振动来提高表面品质和生产率的先进加工技术。如何科学合理地利用振动是机械加工研究的又一课题。
参考文献：
[1]卢波，董星涛，胡夏夏等.机械制造技术基础[M].浙江：浙江大学出版社，2012.
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[3]周昌治，等.机械制造工艺学[M].重庆：重庆大学出版社，2006.
（沈阳新北燃气有限公司，辽宁 沈阳 110000）
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