車削加工中振動的原因與消振措施

李世杰

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

前言

在車削過程中產(chǎn)生的振動，不僅干擾了正常的切削過程，嚴(yán)重影響了加工件的表面質(zhì)量，還會縮短機(jī)床及刀具使用壽命。由此產(chǎn)生的噪音甚至可能影響到操作者工作情緒，對正常工作的開展帶來一定負(fù)面影響；而為了減少振動，往往不得不減少加工時的進(jìn)刀量，從而降低了生產(chǎn)率。本人通過在工作中對這一現(xiàn)象不斷觀察、分析、實(shí)踐、總結(jié)，取得了一些效果，現(xiàn)提出一些看法供大家探討。

1 振動的分類

一般來講，在機(jī)械加工中產(chǎn)生的振動都具有受迫振動和自激振動，與機(jī)床、夾具、刀具和工件組成的工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性有關(guān)。在消除機(jī)床回轉(zhuǎn)組件(如電機(jī)、工件、旋轉(zhuǎn)軸等)和傳動系統(tǒng)(如皮帶輪、滾動軸承、液壓傳動系統(tǒng)的壓力脈沖等)的振動后，車削加工中的振動主要是不隨車削速度變化的自激振動，主要是車削過程中工件系統(tǒng)的彎曲振動(其頻率接近工件的固有頻率的低頻振動)和車刀的變形產(chǎn)生的彎曲振動(其振動頻率接近車刀的固有頻率的高頻振動)。

2 振動原因分析

低頻振動的振動頻率較低，通常發(fā)出的噪音比較低沉，振動較為劇烈，在加工表面留下的振動痕跡深而寬。在低頻振動時通常工件系統(tǒng)和刀架系統(tǒng)都在振動，它們時而趨遠(yuǎn)，時而趨近，產(chǎn)生大小相等方向相反的作用和反作用力。在振動過程中，當(dāng)工件與刀具趨遠(yuǎn)時，切削力F趨遠(yuǎn)與工件位移方向相同，所做之功為正值，系統(tǒng)獲得輸入能量E(+)，當(dāng)工件趨近刀具時，切削力F趨近與工件位移方向相反，所做之功為負(fù)值，系統(tǒng)消耗能量E(-)，在車削過程中，由于各種因素的影響都可能引起切削力周期性的變化，并使F趨遠(yuǎn)>F趨近，E(+)>E(-)，即在每一振動周期中，切削力對工件(或刀具)所做之正功總是大于它對工件(或刀具)所做之負(fù)功，從而使工件(或刀具)獲得能量補(bǔ)充產(chǎn)生自激振動。

在車削過程中，影響切削力周期性地變化，并使F退出>F切人的情況有以下幾個因素：

2.1 切削與刀具相對運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦力。在加工韌性鋼材時徑向切削分力F開始隨切削速度的增加而增大，自某一速度開始，隨切削速度的增加而下降。據(jù)切削原理可知，徑向切削分力Fv主要取決于切削與刀具相對運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦力，即切削與刀具前刀面的摩擦力。摩擦力具有隨摩擦速度的增加而下降的特性，即負(fù)摩擦特性。在機(jī)械系統(tǒng)中，具有負(fù)摩擦特性的系統(tǒng)容易激發(fā)切削振動。

2.2 再生切削時因工件在前一轉(zhuǎn)時振動留下的痕跡引起切削厚度周期性的變化，從而影響切削力的周期變化。一般說，后轉(zhuǎn)(后次)切削的振紋相對于前轉(zhuǎn)(前次)切削的振紋總不同步，它們在相位上總有一個差值φ，在一個振動周期中，對振紋曲線 Yn=Ycosωt，Y n(t)在相位上滯后于前次的Yn-1(t)即0<φ<π的情況，可以看出，在振出的半周期中的平均切削厚度大于振人的半周期中的平均切削厚度，于是振出時的切削力所做的功大于振人時切削力所做的負(fù)功，系統(tǒng)就會有能量輸人，振動就有可能得以維持。于是Yn比Yn-1超前φ的情況，則正好和滯后時的情況相反。

2.3 振動時，刀尖相對運(yùn)動的軌跡是一個形狀和位置都不十分穩(wěn)定的，封閉的近似橢圓。這種情況在車削螺紋或用寬刃刀 (刃寬小于螺距)車削方牙螺紋的外圓時易產(chǎn)生，這時后一轉(zhuǎn)的切削與前一轉(zhuǎn)切削表面完全沒有重疊。因橢圓軌跡隨相位差變化而變化，從而引起切削面周期性變化，最終引起切削力周期性的變化。

2.4 刀具在切人和退出工件時所遇到的金屬硬化程度不同，從而使切削力在變化。除此以外，振動過程中刀具實(shí)際幾何角度周期性改變也會引起切削力的周期性變化。

3 消振措施

由上面的分析可知，系統(tǒng)是否發(fā)生切削顫振，既與切削過程有關(guān)，又與工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)，針對振動的特點(diǎn)，特提出相應(yīng)的消振措施。

3.1 在低頻振動時，主要是由于Y方向的振動引起了切削力的變化，便得F趨遠(yuǎn)>F趨近，而產(chǎn)生了振動。因此，除了增加系統(tǒng)沿Y方向的剛度及阻尼外，設(shè)法減少切削分車削時，一般當(dāng)v=30～70m/min速度范圍內(nèi)，容易產(chǎn)生振動，因此選擇車削速度時應(yīng)避開出現(xiàn)切削力隨速度下降的中速區(qū)，在高速或低速范圍進(jìn)行切削，自振極不易產(chǎn)生。

3.2 應(yīng)盡量避免寬而薄的切屑的切削，否則極易產(chǎn)生振動。在許可的情況下(如機(jī)床有足夠的剛度，足夠的電機(jī)功率，工件表面粗糙度參考值要求較低時等)，適當(dāng)增大進(jìn)給量和減小切削深度也有助于抑制振動。

3.3 適當(dāng)增大刀具前角γ可減小Fy力，從而減弱振動。但在切削速度較高的范圍內(nèi)，前角對振動的影響將減弱，所以高速下采用負(fù)前角切削，不致產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動。通常采用雙前角消振刀，利用寬度f來控制刀具和切削的接觸長度，可顯著減小切削力，從而抑制振動。低速時γ1>0，高速時γ0<0，γ1與γ2之間相差15°

3.4 當(dāng)切削深度和進(jìn)給量不變時，隨著主偏角Kγ增大，切削分力Fy減少。因此，適當(dāng)增大刀具主偏角，可以消除或減小振動。刀具后角太大或刀刃過分鋒利，刀具切人工件時，容易產(chǎn)生振動。當(dāng)后角減小到2°～3°時，振動有明顯的減弱。在刀具后面磨出一段負(fù)倒棱，約0.1-0.3mm負(fù)倒棱，可以減小徑向切削力和抑制振動。

3.5 刀架系統(tǒng)如果有負(fù)剛度是時，容易“啃人”工件產(chǎn)生振動。因此，盡可能避免刀架系統(tǒng)的負(fù)剛度對車削產(chǎn)生的振動。

[1]陳宇.車工技師、技能［M］.北京：中國勞動和社會保障出版社.2003.