車削加工中的振動及防控措施

楚淑玲

(鞍山技師學(xué)院機(jī)械工程系，遼寧鞍山114020)

在車削加工中，由機(jī)床(包括夾具)、工件和刀具組成的工藝系統(tǒng)在各種力的作用下，除產(chǎn)生一定的彈性變形外，還可能使刀具相對于工件表面產(chǎn)生一個附加的周期性的相對運(yùn)動，即振動．由于機(jī)床、工件、刀具的正確位置和相互運(yùn)動關(guān)系受到破壞，給加工帶來負(fù)面影響．振動使工件表面出現(xiàn)振紋，降低工件加工精度及表面質(zhì)量;降低刀具的耐用度，甚至使刀具崩刃;使機(jī)床的零部件連接部位松動，傳動件磨損加劇，降低機(jī)床的精度甚至造成災(zāi)難性損壞;限制了切削用量的進(jìn)一步提高，影響了生產(chǎn)率;同時(shí)，振動產(chǎn)生的噪音危害了工人身心健康，污染了環(huán)境，等等．因此，對車削加工中的振動現(xiàn)象進(jìn)行分析討論，并采取相應(yīng)措施以減少、消除振動顯得尤為重要．

1 車削加工中的主要振動類型

按照車削加工中振動產(chǎn)生的原因?qū)⑵浞譃樽杂烧駝印?qiáng)迫振動和自激振動3種類型，分別占5%，30%，65%［1］．其中，自由振動是由偶然性的外界干擾(如加工材料硬度不均、加工余量有變化等)引起切削力的突然變化，工藝系統(tǒng)的平衡被破壞而引起的振動，一般去除外力沖擊等因素后，因工藝系統(tǒng)存在阻尼可迅速衰減，對加工過程影響較小;而強(qiáng)迫振動和自激振動都是機(jī)械加工過程中常見的不能自然衰減而且危害較大的振動類型，因此，本文重點(diǎn)分析車削加工中產(chǎn)生的兩種主要振動類型——強(qiáng)迫振動和自激振動．

1．1 強(qiáng)迫振動

在工藝系統(tǒng)內(nèi)部或外部周期性干擾力持續(xù)作用下引起的振動稱為強(qiáng)迫振動，其主要特點(diǎn)如下:(1)強(qiáng)迫振動的干擾力來自于非切削因素，一般與切削過程無關(guān)，振動本身不能改變干擾力．

(2)強(qiáng)迫振動的振幅在干擾力的頻率與系統(tǒng)固有頻率相同或接近時(shí)產(chǎn)生共振幅值最大，此外，影響因素還有干擾力的大小、工藝系統(tǒng)剛度及其阻尼系數(shù)．

(3)強(qiáng)迫振動的頻率等于外界干擾力的頻率，與系統(tǒng)自身固有頻率無關(guān)．

(4)強(qiáng)迫振動為穩(wěn)態(tài)的簡諧振動時(shí)，干擾力對系統(tǒng)做的功等于系統(tǒng)阻尼消耗的功，為等幅振動．

1．2 自激振動

系統(tǒng)由振動運(yùn)動本身引起切削力周期性變化，而該力又反作用于工藝系統(tǒng)加強(qiáng)和維持的振動，因振動與外界激勵無關(guān)，故稱為自激振動，主要特點(diǎn)如下［2］:

(1)自激振動不受外力的影響，只有刀具在進(jìn)行切削時(shí)振動才會產(chǎn)生，如果停止切削，基于振動過程自身產(chǎn)生的內(nèi)部干擾力及能量補(bǔ)充過程消失，振動中止．

(2)自激振動的頻率取決于系統(tǒng)本身的參數(shù)．分為由工件的彎曲變形引起、振動頻率接近于工件固有頻率的低頻振動(50～250 Hz)和由刀具的彎曲變形引起、振動頻率接近于刀具固有頻率的高頻振動(500～5 000 Hz)．

(3)自激振動的產(chǎn)生決定于振動系統(tǒng)在同一振動周期內(nèi)所獲得的能量與阻尼消耗能量的對比情況，只有系統(tǒng)所獲得的能量大于所消耗的能量，自激振動能夠持續(xù)，且振動不因有阻尼存在而衰減．

(4)自激振動是一種正弦波振動，除了可用專業(yè)儀器測量波長與頻率的方法判斷外，顯著的特征是工件被加工表面有振紋，低頻振動時(shí)振紋似魚鱗但大而平緩，高頻振動振紋細(xì)而密似起皺的絲綢．

(5)自激振動產(chǎn)生噪音，低頻振動時(shí)噪音低沉似蛙鳴，高頻振動時(shí)噪音尖銳刺耳似哨音．

2 車削加工中振動產(chǎn)生的原因

2．1 強(qiáng)迫振動產(chǎn)生的原因

強(qiáng)迫振動來自于系統(tǒng)內(nèi)部或外部非切削因素的干擾力，如下所述:

(1))車床回轉(zhuǎn)零件的離心慣性力．機(jī)床工作時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的主軸、皮帶輪、聯(lián)軸節(jié)和工件等存在微量或少數(shù)相對比較嚴(yán)重的質(zhì)量偏心，由離心力作用引起強(qiáng)迫振動．

(2)車床運(yùn)動傳遞機(jī)構(gòu)的缺陷．如變速操縱機(jī)構(gòu)中的齒輪的制造、安裝誤差，帶傳動中平皮帶的接頭、三角皮帶的厚薄或長短不一致，滑動軸承和滾動軸承尺寸及形位誤差等都會在運(yùn)動傳遞過程中引起強(qiáng)迫振動．

(3)車床往復(fù)運(yùn)動部件換向時(shí)的慣性沖擊．如離和器控制箱體瞬時(shí)改變機(jī)床的回轉(zhuǎn)方向，慣性力造成強(qiáng)迫振動．

(4)車削形狀不規(guī)則的零件．加工多邊形或帶有鍵槽等斷續(xù)切削工件表面時(shí)，刀具和工件常常產(chǎn)生沖擊，交變的切削力引起強(qiáng)迫振動．

(5)地基振動．鄰近的磨床、壓力機(jī)、沖床等設(shè)備或火車、汽車等經(jīng)過時(shí)引起的振動強(qiáng)度足夠大，通過不穩(wěn)定的地基引起車床一起振動．

2．2 自激振動產(chǎn)生的原因［3］

低頻振動時(shí)通常工件系統(tǒng)和刀架系統(tǒng)都在振動，二者相對位置發(fā)生周期性變化，這一變化又引起切削過程中切削力的規(guī)律變化．在工件振出過程中，切削力與工件位移方向相同，對振動系統(tǒng)做正功，即振動系統(tǒng)從切削過程中獲取能量;工件振入時(shí)，切削力與工件位移方向相反，對振動系統(tǒng)做負(fù)功，即振動系統(tǒng)要消耗能量．在每一振動周期中，當(dāng)切削力對振動系統(tǒng)所做的正功大于對振動系統(tǒng)所做的負(fù)功，加工系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生持續(xù)的自激振動．在此過程中，影響切削力周期性變化的因素如下:

(1)切屑與刀具前刀面之間的摩擦力．摩擦力具有負(fù)摩擦特性，即從某一臨界速度起，隨切削速度的增加而下降，使切屑與刀具前刀面之間的摩擦力即徑向切削分力的大小發(fā)生變化，最終使切削力發(fā)生變化．

(2)前一次切削加工留在工件表面上的振紋引起切削厚度的變化．如鉆孔時(shí)鉆頭細(xì)而長、鉆頭后角太大或左右切削刃不對稱導(dǎo)致鉆削時(shí)振動使孔不圓，再次擴(kuò)孔時(shí)引起切削力的變化．

(3)切削層金屬內(nèi)部的硬度不均勻使切削力發(fā)生變化．

(4)切削過程中刀具實(shí)際前角的不時(shí)改變引起切削力周期性的變化．

(5)另外，刀具的安裝剛性差引起刀桿的振動及工件剛性差導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)波紋或錐度等．

高頻振動是由加工過程中車刀的變形所產(chǎn)生的，不隨車削速度而改變，主要是由于刀具后刀面與工件之間摩擦增大所引起的．

3 車削加工中振動的主要防控措施

3．1 減少或消除強(qiáng)迫振動的方法和措施

(1)減少干擾力．對諸如電動機(jī)、帶輪和卡盤等高速回轉(zhuǎn)的零部件，要進(jìn)行平衡試驗(yàn)(靜平衡和動平衡)，避免離心慣性力形成沖擊;同時(shí)，提高軸承、齒輪嚙合及帶傳動等傳動裝置的穩(wěn)定性，如提高變速操縱機(jī)構(gòu)齒輪的制造精度，采用少接頭、無接頭、長短一致的傳動皮帶等可減少振動．

(2)提高工藝系統(tǒng)的剛性及阻尼．提高機(jī)床、工件及刀具的剛度及從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上增加阻尼提高系統(tǒng)的抗振性，如縮短主軸前端懸伸長度，刮研部件接觸面、提高接觸剛度等達(dá)到減少振動的效果．

(3)改變運(yùn)動參數(shù)或工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使干擾力的頻率遠(yuǎn)離固有頻率．比如采取適當(dāng)?shù)闹鬏S變速或改變刀具的轉(zhuǎn)數(shù)，調(diào)整床鞍中小滑板鑲條間隙，使工藝系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生變化或干擾力的頻率發(fā)生變化，避免共振現(xiàn)象發(fā)生．

(4)維護(hù)機(jī)床精度．如避免因加工中切削力過大或撞車導(dǎo)致軸彎曲及齒輪塑性變形，保證其剛性，以減少高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動．

(5)隔離振源．如在機(jī)床基礎(chǔ)四周設(shè)防振溝，或?qū)④嚧舶仓迷诜勒竦鼗希O(shè)置彈簧或橡皮墊等吸收振源能量加以消除．

(6)采用減振器和阻尼器．

3．2 減少或消除自激振動的方法和措施

通過上述分析，針對性地從切削過程及工藝系統(tǒng)的抗振性等方面提出以下有效措施［4］:3．2．1 合理選擇切削用量

(1)車削時(shí)，一般在臨界速度(v=30～70m/min)范圍內(nèi)，振幅最大，因此應(yīng)在高速或低速范圍內(nèi)進(jìn)行切削，不易產(chǎn)生自激振動．

(2)切削深度與振幅成正比關(guān)系，進(jìn)給量與振幅成反比關(guān)系，因此，在加工表面粗糙度允許的情況下，合理加大進(jìn)給量，減少切削深度，可取得較好的消除自激振動的效果并保證必要的生產(chǎn)率．3．2．2 合理選擇車刀的幾何參數(shù)

(1)適當(dāng)增大刀具前角．前角增大使切削力、切屑變形及切屑與前刀面摩擦的減小，減少切削振動，提高工件表面質(zhì)量．但因前角變大降低了刀頭強(qiáng)度，常在刀尖處磨出刀棱，以提高刀具的耐用度．

(2)適當(dāng)增大刀具主、副偏角．主偏角增大可以減少切削力沿徑向分力及實(shí)際切削寬度和重疊系數(shù)，副偏角增大，因刀刃與工件的接觸面減小可以減少摩擦力，均使切削平穩(wěn)，減少振動．

(3)適當(dāng)鈍化刀具后角．后角小，可以減少徑向分力，避免扎刀現(xiàn)象，切削穩(wěn)定性好．但刀具后角過小與工件之間因強(qiáng)烈磨擦也易引起振動．一般在刀具主后面上磨出一個很窄的0°值的倒棱，起阻尼減振作用，有效抑制切削中的低頻振動．

(4)沖擊負(fù)荷較大的斷續(xù)切削，應(yīng)取較大負(fù)值的刃傾角，以保護(hù)刀尖，提高切削平穩(wěn)性．但過大的負(fù)刃傾角會使徑向切削力顯著增加，易產(chǎn)生振動，此時(shí)可配合采用較大的前角．3．2．3 提高工件系統(tǒng)的抗振性

(1)用三爪或四爪卡盤夾持工件時(shí)要保證主軸回轉(zhuǎn)中心與工件回轉(zhuǎn)中心一致．車削表面的不連續(xù)或不均勻會產(chǎn)生周期性變化的切削力，引起振動．

(2)用三爪跟刀架或中心架輔助支承加工細(xì)長軸．增加系統(tǒng)徑向的剛度，防止工件彎曲變形及工件與刀具徑向的相對位移，有效減少振動．

(3)采用彈性頂尖，增加切削過程的穩(wěn)定性．當(dāng)工件受熱伸長時(shí)頂尖可以自由伸縮，避免頂力過大使工件彎曲變形引起振動．

(4)改善工件材料的可加工性及減少工件裝夾時(shí)懸伸長度等．

3．2．4 提高刀具系統(tǒng)的抗振性 增大刀桿截面，減小刀具懸伸長度，裝夾刀具時(shí)墊刀片應(yīng)平整、厚度一致，緊固時(shí)加壓在刀桿上的力要均勻，刀桿與工件軸線垂直，及時(shí)更換后刀面磨損過大的刀具．此外，使用具有消振作用的消振器和消振刀具等，均能提高刀具系統(tǒng)抗振性能．

另外，刀具材料對切削加工中的振動也會產(chǎn)生一定的影響，應(yīng)盡量選用鋒利的刀片以減少切削力．非涂層刀片比涂層刀片鋒利，即使是涂層刀片，物理涂層也比化學(xué)涂層刃口鋒利．因此，綜合考慮后，應(yīng)盡量選用非涂層或物理涂層的鈷基硬質(zhì)合金刀片．

4 結(jié)束語

振動是機(jī)械加工工藝領(lǐng)域一個重要的研究內(nèi)容．在實(shí)際生產(chǎn)中通過觀察、分析、總結(jié)，針對不同的振動類型及產(chǎn)生原因，積極、有效地加以防控，明顯減少了振動現(xiàn)象的產(chǎn)生，保證了工件的加工精度，提高了生產(chǎn)率及機(jī)床、刀具的使用壽命，但機(jī)械加工過程中振動的產(chǎn)生非常復(fù)雜，完全消除振動現(xiàn)象，尚需更深入對振動機(jī)理、產(chǎn)生原因及消振措施進(jìn)行研究．

［1］張文樹，菅志敏．機(jī)械加工中振動的影響和防治［J］．重工與起重技術(shù)，2012(3):20．

［2］曹新民．車削過程振動的產(chǎn)生原因及消除措施［J］．裝備制造技術(shù)，2011(7):131－133．

［3］張文東，劉哲，穆宏兵．車削加工中振動產(chǎn)生原因及消除措施［J］．機(jī)械研究與應(yīng)用，2002(6):21－22．

［4］陳浩．車削中的自激振動與消振措施［J］．黑龍江科技信息，2008(9):17．