强迫振动及其控制优化方案

强迫振动是工艺系统在外界周期性干扰力的作用下被迫产生的振动。由于有外界周期干扰力作能量补充，因此振动能够持续进行。只要外界周期干扰力存在，振动就不会被阻尼衰减掉。

1．强迫振动的产生

强迫振动是由振动系统之外的持续激振力引起的持续振动，这种干扰力可能来自周围环境，如其他机床、设备的振动通过地基传入正在加工的机床，也可能来自工艺系统自身，如机床电动机的振动，包括电动机转子旋转不平衡、电磁力不平衡引起的振动；机床回转零件的不平衡，如砂轮、带轮和传动轴的不平衡；运动传递过程中引起的周期性干扰力，齿轮啮合的冲击，皮带张紧力的变化，滚动轴承及尺寸误差引起的力变化，机床往复运动部件的工作冲击；液压系统的压力脉动；切削负荷不均匀引起切削力的变化，如断续切削、周期性余量不均匀等。这些因素都可能导致工艺系统作强迫振动。

2．强迫振动的特性

一般的机械加工工艺系统，其结构都是一些具有分布质量、分布弹性和阻尼的振动系统。严格来说，这些振动具有无穷多个自由度。要精确地描述和求解无穷多个自由度的振动系统是十分困难的，因此通常把工艺系统的强迫振动简化为单自由度振动系统，且经历过渡过程而进入稳态后的振动方程为

式中　x—振动位移（mm）；

A—振幅（mm）；

ω—激振力圆频率（rad·s-1）；

t—时间（s）；

φ—振动振幅相对激振力的相位角（rad）。

研究式（6-4），强迫振动具有以下特性：

1）不管加工系统本身的固有频率多大，强迫振动的频率总与外界干扰力的频率相同或成倍数关系。

2）强迫振动的振幅除了与工艺系统的刚度、振动的阻尼及激振力的大小有关外，还与频率特性有关，即激振力的频率与工艺系统固有频率之间的关系。当激励力的频率与工艺系统的固有频率的比值等于或接近于1 时，发生共振，振幅急剧增加，并达到最大值。

3）强迫振动的位移总是滞后于激振力一定的相位角。(www.xing528.com)

4）强迫振动是在外界周期性干扰力的作用下产生的，但振动本身并不能引起干扰力的变化。

3．减小或消除强迫振动的途径

（1）减小或消除振源的激振力

在工艺系统中高速回转的零件、机床主轴部件、电动机及砂轮等由于质量不平衡都会产生周期性干扰力，为了减少这种干扰力，对一般的回转件应作静平衡，对高速回转件应作动平衡，这样就能减小回转件所引起的离心惯性力。例如，砂轮，除了作静平衡外，由于在磨削过程中砂轮磨损不均匀或吸附在砂轮表面上磨削液分布不均匀，仍会引起新的不平衡，因此精磨时，最好能安装自动或半自动平衡器。

尽量减小机床传动机构的缺陷，设法提高齿轮传动、带传动、链传动及其他传动装置的稳定性。例如，对齿轮传动，应提高齿轮制造及安装精度，以减小传动过程中的冲击；对带传动，应采用较完善的带接头，使其连接后的刚度和厚度变化最小。

对于往复运动部件，应采用较平稳的换向机构，在条件允许的情况下，适当降低换向速度及减小往复运动部件的质量，以减小惯性力。

（2）调整振源的频率

机床上的转动件转速选择尽可能远离系统的固有频率，以避开共振区。

（3）提高工艺系统的抗振性

增加工艺系统刚度，主要是提高在振动中起主振作用的机床主轴、刀架、尾座、床身、立柱、横梁等部件的动刚度。增大阻尼以减小系统的振动，如适当调节零件间某些间隙、采用内阻尼较大的材料等。此外，夹具及安装工件的方式

也应保证有足够的静刚度。

（4）隔振

当振源来自机床外部时，干扰力是经地基传到机床的，可采用把机床用橡胶、软木、泡沫塑料等与地基隔开的方法来隔振。

当振源来自机床内部时，可在振动的传动路线中安装具有弹性性能的隔振装置，吸收振源产生的大部分振动，以减少振源对加工过程的干扰，如在刀具和工件之间设置弹簧或橡皮垫片等，如图6-12 所示。