車削加工表面振紋的成因及對策分析

車削加工表面振紋的成因及對策分析

秦文偉

(無錫機電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇無錫214028)

摘要：振紋是在機械加工中工件表面常見的一種現(xiàn)象，振紋的出現(xiàn)對工件表面的加工質(zhì)量、加工精度以及一些使用性能產(chǎn)生了一定的影響。因而通過對車削加工中出現(xiàn)的各種振紋形狀的成因進行分析，找出問題的根源，并提出解決方法，以消除或減少振紋的出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞:車削加工振紋振動車削自振

中圖分類號：TH17文獻標(biāo)識碼：B

作者簡介：秦文偉(1974-)，男，江蘇無錫人，本科，大學(xué)講師，車工高級技師，研究方向為機械加工技術(shù)。

收稿日期：2015-03-01

Analysis of the causes and countermeasures of turning surface vibration ripples

QIN Wenwei

Abstract:Chatter is a common phenomenon in the surface of workpiece in machining, and the emergence of vibration ripples has produced certain effect on machining quality, machining precision and some performance of the surface of workpiece. Thus through the analysis of causes of various vibration pattern appearing in turning process ,this paper tries to find out the root of the problem, and proposes solutions to eliminate or reduce the occurrence of vibration ripples.

Keywords:turning processing; chatter mark; vibration; turning natural vibration

振紋是指在車削加工過程中由于各種原因出現(xiàn)了振動，讓車刀與工件加工表面產(chǎn)生了位移，從而使工件的加工表面出現(xiàn)了波紋。振紋對工件表面的加工質(zhì)量、加工精度以及一些使用性能產(chǎn)生了一定的影響。車削加工過程中出現(xiàn)的振動有機床內(nèi)部的也有機床外部的，機床內(nèi)部的主要有機床上各種旋轉(zhuǎn)部位零件有缺陷造成的不平衡、機床齒輪皮帶傳動機構(gòu)的不平穩(wěn)、來回往復(fù)運動機構(gòu)的沖擊力以及切削過程中切削力的變化等。機床外部的主要是指機床附近的大型設(shè)備通過地基傳導(dǎo)的，或者是車床本身地基的不牢靠等形成的。所以要解決車削加工工件表面的振紋問題就是要熟悉機床的各種機構(gòu)的性能，對機床各個部位的零件的狀況了如指掌，這樣才能通過各種振紋的形狀來更快的找出問題，解決問題，以消除或減少振紋的出現(xiàn)。

振紋的形狀種類有很多，如圖1所示。端面上有輪輻形狀、靶形環(huán)狀的，外圓表面上有斑節(jié)條形狀、亂紋形狀、直紋形狀及陰陽形狀等。下面就以常見的幾種振紋的成因來進行分析和對策研究。

圖1　振紋的幾種形狀

1輪輻狀振紋的成因與解決方法

在車削加工工件端面時，端面有時會出現(xiàn)像輪輻形狀的振紋，如圖1(a)所示。使用不同材料制作的車刀車削不同材質(zhì)的工件，出現(xiàn)振紋的清晰程度也不一樣。如果用硬質(zhì)合金材料制成的車刀車削45鋼時，端面振紋就會從外到內(nèi)慢慢變深，越來越清晰。而用高速鋼材料制成的車刀車削45鋼或者用硬質(zhì)合金材料制成的車刀車削灰口鑄鐵時，端面振紋從外到內(nèi)的深淺程度卻基本沒有變化。但是不管怎樣，通過仔細研究其振紋就會發(fā)現(xiàn)：它的振紋條數(shù)和車削加工機床主軸上主動齒輪的齒數(shù)相同。

1.1成因分析

車削加工工件端面時，當(dāng)機床主軸傳動齒輪嚙合出現(xiàn)問題時，會引起機床主軸的軸向力竄動，特別是主軸軸承的松動會加大軸向力的竄動，形成端面輪輻狀振紋。由于齒輪嚙合有問題，主軸在旋轉(zhuǎn)時，主軸主動齒輪的每個齒在和從動齒輪嚙合過程中，軸向力就會瞬間竄動一下，因此振紋的條數(shù)與主軸上主動齒輪的齒數(shù)正好相同。

在用硬質(zhì)合金材料制成的車刀車削45鋼端面時，車刀的軸向切削力與它切削的速度有關(guān)系，從軸向力Fx的公式得知，車刀在從外面逐步向中心車削時，工件的切削半徑會越來越小，切削的速度也越來越小，而軸向切削力卻變得越來越大，造成主軸的竄動也漸漸增大，使得振紋就會從外到內(nèi)慢慢變深，越來越清晰。但用高速鋼材料制成的車刀車削45鋼或者用硬質(zhì)合金材料制成的車刀車削灰口鑄鐵時，車刀的切削速度幾乎沒有對軸向切削力產(chǎn)生任何影響，從而使得振紋的深淺程度一樣，基本不變。

這些現(xiàn)象可以通過車削加工實驗來得以驗證，而且當(dāng)車削加工端面一有輪輻狀振紋出現(xiàn)時，把主軸軸承立即進行松動，端面出現(xiàn)的振紋會更加清晰。

1.2解決方法

解決端面輪輻狀振紋的方法其實很簡單：根據(jù)齒輪間的嚙合情況，要么修整更換主軸上的主動齒輪，要么修整更換與之相嚙合的從動齒輪，來改善齒輪之間的嚙合環(huán)境，振紋就可以得到改善甚至消失。當(dāng)然有時在改變切削要素如切削速度，進給量，背吃刀量時也會使振紋得到改善。

2靶形環(huán)狀振紋的成因與解決方法

車削加工端面時，經(jīng)常會出現(xiàn)另一種像靶子一樣環(huán)形的振紋，如圖1(b)所示。通過仔細研究其振紋就會發(fā)現(xiàn)：它的每條振紋之間的間距是一樣的，而且與中滑板手柄進給的絲桿的螺距是一樣的或者有時呈倍數(shù)出現(xiàn)。

2.1成因分析

靶形環(huán)狀振紋的出現(xiàn)，是因為中滑板絲桿在橫向進給時進給速度不均勻，導(dǎo)致車刀的切削力不一致，引起切削工件端面時車刀的振動和主軸軸向力的竄動。

2.2解決方法

使中滑板絲桿進給速度均勻的制約因素很多，如絲桿變形，燕尾槽不平整，絲桿螺母配合不理想等都有可能造成，所以要解決靶形環(huán)狀振紋的問題就要調(diào)整中滑板，讓其移動平穩(wěn)，車削均勻。

首先檢測中滑板絲桿的直線度和同軸度是否符合要求，一般應(yīng)該小于0.05 mm。同時檢測螺紋的加工精度是否符合要求，絲桿螺母配作時配合間隙有沒有達到要求(應(yīng)在0.2 mm~0.3 mm左右)，如不符合要求要進行更換修整。然后檢測中滑板的燕尾導(dǎo)軌面及燕尾槽是否平整，特別是燕尾槽的直線度與平面度是否在要求范圍內(nèi)(<0.02/1 000 mm), 如不符合要求要進行鏟刮修整以符合使用要求。最后在裝配時，要調(diào)整好絲桿和配合螺母的同軸度，保證絲桿的軸線與燕尾導(dǎo)軌面平行。調(diào)整好中滑板塞鐵和配合螺母上的螺釘，使中滑板移動松緊得當(dāng)，移動均勻。

3斑節(jié)條狀振紋的成因與解決方法

車削加工外圓表面時，有時會在外圓表面上出現(xiàn)斑節(jié)條形狀的振紋，如圖1(c)所示。通過仔細研究其振紋就會發(fā)現(xiàn)：它的每條振紋之間的間距是一樣的，而且與導(dǎo)軌面下齒條的螺距和大滑板溜板箱里與齒條嚙合的傳動齒輪的齒距是一樣的或者有時呈倍數(shù)出現(xiàn)。

3.1成因分析

從車削過程來看，外圓表面上出現(xiàn)斑節(jié)條形狀的振紋是由于大滑板溜板箱里的傳動齒輪與導(dǎo)軌面下的齒條嚙合不穩(wěn)定，導(dǎo)致大滑板縱向進給時進給速度不均勻，車刀的切削力不一致，從而引起車削工件表面時車刀的振動形成的。一般形成的斑節(jié)條形狀的振紋有三種情況：平行形斑節(jié)條狀振紋、傾斜形斑節(jié)條狀振紋、交叉形斑節(jié)條狀振紋。

3.2解決方法

根據(jù)外圓表面出現(xiàn)斑節(jié)條狀振紋的情況來具體采用不同的解決方法：當(dāng)出現(xiàn)平行形的斑節(jié)條狀振紋時，一般應(yīng)檢查大滑板溜板箱的位置是否出現(xiàn)位移，通過調(diào)整使傳動齒輪與導(dǎo)軌面下齒條完全嚙合。同時檢查由于齒條與傳動齒輪的制造精度不高造成的齒形是否變形，需要更換時就更換齒條和傳動齒輪；當(dāng)出現(xiàn)傾斜形的斑節(jié)條狀振紋時，應(yīng)檢查溜板箱傳動齒輪與齒條的嚙合是否完整，通過修整大滑板溜板箱的接觸面以及齒條，使其完全嚙合。還應(yīng)檢查齒條是否出現(xiàn)磨損，及時修整或更換齒條；當(dāng)出現(xiàn)交叉形的斑節(jié)條狀振紋時，也是檢查大滑板溜板箱的位置是否出現(xiàn)位移，溜板箱傳動齒輪與齒條的嚙合是否完整并進行修整更換。為了徹底解決斑節(jié)條狀振紋的問題，最后還應(yīng)檢查車削機床的操縱桿、絲桿、光桿三桿的直線度，與溜板箱孔的同軸度等，以免影響大滑板搖動進給時齒條與傳動齒輪的接觸。

4車削自振振紋的成因與解決方法

振紋的出現(xiàn)除了有機床零部件的加工精度、加工質(zhì)量問題或者是機床主軸傳動系統(tǒng)和溜板箱進給系統(tǒng)出現(xiàn)裝配問題、機械故障引起的，還有就是車刀的車削自振引起的。車削自振振紋的形狀形態(tài)各異，與上述振紋形狀不盡相同，需要仔細辨別。

4.1成因分析

車刀的車削自振振紋與車削加工過程是密不可分的，在車削加工過程中，因為切削力的變化，引起車刀的振動，使車刀與加工工件產(chǎn)生位移，在工件的加工表面形成振紋。當(dāng)繼續(xù)車削第二刀時，車刀在有振紋的加工表面上再次進行車削，引起了車刀背吃刀量及切削力的變化，此時又引起了車刀的振動，使工件的加工表面留下了新的振紋，一次一次的輪回在工件加工表面形成了車削自振振紋。

4.2解決方法

解決車削自振振紋的方法有以下幾點：①在車削加工時應(yīng)選用合理的轉(zhuǎn)速，適當(dāng)?shù)倪M給量及適量的背吃刀量，避免高轉(zhuǎn)速與大的背吃刀量同時出現(xiàn)，而應(yīng)根據(jù)粗精車加工的定義進行合適的切削用量選擇，避免車削自振引起的振紋。②根據(jù)加工材料的不同選用加工刀具，同時車刀的幾何角度對切削力的變化也影響很大，要合理選用和刃磨。如在一般情況下，車刀的前角越大，車削自振會越少，振紋也會改善。又如背吃刀量和車刀進給量在保持不變的情況下，增大車刀的主偏角，會發(fā)現(xiàn)車刀振動引起的振紋也會減小。所以在工件的車削加工過程中，一般采用主偏角90~93°的車刀進行細長軸的車削，以防止車削自振引起的振紋。③加工工件與車刀的裝夾也是影響車削自振振紋的因素，工件應(yīng)盡量夾緊，裝夾的長度在加工圖紙的范圍內(nèi)盡量伸的短一些，車刀也是如此。如在車槽時，裝夾盡量采用一夾一頂，并且車的槽寬要靠近主軸卡盤，車槽刀也不應(yīng)伸的太長，以避免車削自振引起的振紋。

總之，一般在車削過程中工件表面振紋出現(xiàn)的原因是很復(fù)雜的，大都是各種因素綜合在一起的，檢查出來也比較麻煩。但一定沉著冷靜分析，對各種振紋形態(tài)要抽絲剝繭，尋找根本原因，同時也要掌握常見振紋的處理方法，如外圓表面亂形振紋, 如圖1(d)所示：是因為機床主軸的推力軸承磨損，推力軸承的間隙增大或者損壞，導(dǎo)致主軸松動出現(xiàn)軸向位移引起的；外圓表面直紋形振紋，如圖1(e)所示：是由于機床主軸傳動系統(tǒng)的沖擊振動引起主軸傳動系統(tǒng)傳動不穩(wěn)定，致使主軸轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生周期性晃動而形成的。而陰陽面形振紋，如圖1(f)所示：則是主軸傳動系統(tǒng)在某處有缺陷導(dǎo)致主軸在旋轉(zhuǎn)時在某一相位上出現(xiàn)振動，造成機床主軸旋轉(zhuǎn)精度誤差形成的。所以在實際操作解決表面振紋的過程中要積累經(jīng)驗，總結(jié)經(jīng)驗，尋求解決表面振紋的規(guī)律，以求能更好更快的解決表面振紋問題。

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