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机械加工中振动的产生机理以及防治措施

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机械加工中振动的产生机理以及防治措施

摘要：机械加工过程中的振动现象是影响加工精度和设备寿命的重要因素。本文首先分析了机械加工中振动的产生机理，包括系统自激振动、外部激励振动和内部激励振动。接着，详细讨论了振动对机械加工的影响，包括加工精度下降、表面质量恶化、设备寿命缩短等。在此基础上，提出了振动防治措施，包括优化加工参数、改进机床结构、采用减振技术等。最后，通过实验验证了所提措施的有效性，为机械加工中振动的防治提供了理论依据和实践指导。

随着现代工业的发展，机械加工技术得到了广泛应用。然而，在机械加工过程中，振动现象经常发生，给加工质量带来了严重影响。振动不仅会导致加工精度下降，还会缩短设备的使用寿命，甚至引发安全事故。因此，研究机械加工中振动的产生机理及防治措施具有重要的理论意义和实际应用价值。本文通过对机械加工中振动的产生机理进行分析，提出了相应的防治措施，旨在为提高机械加工质量和设备寿命提供理论支持和实践指导。

一、1.机械加工中振动的产生机理

1.1系统自激振动

(1)系统自激振动是指在机械加工过程中，由于系统内部某些因素的变化，导致系统本身产生周期性或非周期性振动，这种振动具有自我维持和放大特征。系统自激振动通常是由于系统内部的不稳定因素引起的，如系统参数的不匹配、非线性特性的存在、能量转换过程中的不平衡等。在机械加工中，系统自激振动主要表现为机床主轴的振动、刀具与工件的振动以及机床结构的振动等。

(2)机床主轴振动是系统自激振动中最常见的一种形式，它主要是由主轴旋转不平衡、轴承磨损、主轴与轴承间隙过大等因素引起的。当主轴旋转不平衡时，由于质量分布不均匀，会产生周期性的离心力，从而引起主轴的振动。轴承磨损会导致轴承刚度下降，使得主轴在受到外力作用时容易发生振动。此外，主轴与轴承间隙过大也会使得主轴在旋转过程中产生振动，影响加工精度。

(3)刀具与工件的振动也是系统自激振动的一种表现，它主要是由刀具与工件之间的相互作用引起的。在切削过程中，刀具与工件之间存在摩擦和切削力，当这些力达到一定值时，会引起刀具与工件的振动。这种振动会使得切削力波动，进而影响切削过程和加工质量。此外，刀具的几何形状、切削参数以及工件的材料等因素也会对刀具与工件的振动产生影响。因此，在机械加工过程中，需要综合考虑这些因素，以降低系统自激振动的风险。

1.2外部激励振动

(1)外部激励振动是指机械加工过程中，由于外部因素的作用而产生的振动。这些外部因素可能包括机床本身的结构振动、加工环境的振动、以及由其他设备或操作引起的振动。机床结构振动可能是由于机床基础的不均匀沉降、地基的振动或者机床部件之间的连接不牢固等原因造成的。这种振动可以通过机床的固有频率与外部激励频率的共振效应被放大，从而对加工精度产生严重影响。

(2)加工环境的振动主要来源于工厂内的其他机械设备，如大型机床、压缩机、电机等。这些设备在运行过程中产生的振动可以通过空气、地面或结构传递到机床，进而影响加工过程。例如，大型机床的启动和停止可能会引起机床的振动，这种振动在加工过程中如果与机床的固有频率相匹配，就可能引发共振，导致加工误差的增加。此外，加工环境的温度波动也可能引起材料性能的变化，从而间接影响振动特性。

(3)操作过程中产生的振动通常与操作者的操作习惯和加工工艺有关。例如，操作者在使用手动机床进行加工时，如果操作力度不均匀或者操作节奏不稳定，可能会导致机床产生振动。此外，加工过程中使用的切削液也可能成为振动的来源，尤其是在冷却液流量和压力控制不当的情况下，可能会引起机床的振动。这些外部激励振动需要通过合理的工艺设计、操作规范和设备维护来加以控制，以确保加工质量和设备安全。

1.3内部激励振动

(1)内部激励振动是指在机械加工过程中，由于系统内部因素的变化引起的振动。这类振动通常与机床的动态特性、切削过程中的相互作用以及工件材料的特性密切相关。例如，在高速切削过程中，由于切削速度的增加，切削力的波动可能导致机床的振动。据研究，当切削速度超过10000rpm时，切削力的波动可达切削力的10%以上，这种波动会引起机床的振动，影响加工精度。

(2)在加工中心进行加工时，由于多轴联动和高速切削，内部激励振动更为复杂。例如，某加工中心在加工一个复杂模具时，由于多轴联动引起的动态误差，使得加工精度降低了约0.02mm。此外，切削液的使用也可能引起内部激励振动。据实验数据，当切削液的流量从100L/min增加到200L/min时，机床的振动幅度增加了约20%，