淺談車床的振動起因及其控制

孫茂悅 黃濱

摘 要：近年來，由于科技水平的不斷提升，對于零件表面的質(zhì)量提出了更高的要求，在生產(chǎn)過程中，由于振動的存在，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量得不到有效提升。為此，有必要對機械加工制造過程中振動產(chǎn)生的機理進行分析，并探求消震的方法與途徑，已經(jīng)成為機械加工領(lǐng)域所必須慎重考慮的問題。本文將在對車削加工的內(nèi)容和分類進行簡要介紹的基礎(chǔ)上，對車削過程中振動的原因進行深入分析，并提出相應(yīng)地消振與減振措施。

關(guān)鍵詞：車床；車削；加工振動

在進行車削加工時，刀具和加工的工件之間會產(chǎn)生振動現(xiàn)象，對正常的切削過程產(chǎn)生了嚴重干擾，對于機械加工極其不利。車床在發(fā)生振動的過程中，會直接影響工件表面的質(zhì)量，出現(xiàn)較深的表面振紋，直接導(dǎo)致工件粗糙度變大。同時，強烈的振動有可能會導(dǎo)致車刀出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，致使切削加工中斷。此外，車床和刀具在振動的環(huán)境下工作，會加快其磨損速度，導(dǎo)致車床和刀具使用壽命大大縮短。另外，振動還伴隨有噪聲，危害工人身心健康，使工作環(huán)境惡化。這時必須降低切削用量，導(dǎo)致車床的工作效率大大降低。

一、車削加工的主要內(nèi)容

1.數(shù)控車削加工包括端面、內(nèi)外輪廓面、成形表面、螺紋、切斷等工序的切削加工；

2.數(shù)控車床主要用于加工軸類、盤類等回轉(zhuǎn)體零件；

3.車銑中心上可以實現(xiàn)車削和銑削的復(fù)合加工；

4.數(shù)控車削工藝靈活多變，其豐富的循環(huán)功能指令、各類刀具的選擇，是學(xué)習(xí)的重點內(nèi)容；

5.在數(shù)控車床和車削中心上加工的零件，一般采用手工編程，對具有復(fù)雜外輪廓的回轉(zhuǎn)體零件可以采用自動編程。

二、車削加工振動的分類

一般來講，在機械加工中產(chǎn)生的振動都具有受迫振動和自激振動，與機床、夾具、刀具和工件組成的工藝系統(tǒng)的動態(tài)特性有關(guān)。在消除機床回轉(zhuǎn)組件（如電機、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）。

三、車削加工中車刀產(chǎn)生振動的原因

在車削加工過程中導(dǎo)致車刀產(chǎn)生振動的原因是多種多樣的，有由于機床傳動系統(tǒng)引起的振動，由于車刀裝夾不當(dāng)引起的振動，還有刀具刃磨角度問題引起的振動。其中由于機床傳動系統(tǒng)引起的振動包括電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不平衡、機床回轉(zhuǎn)零件的不平衡如皮帶輪、卡盤、刀盤和工件不平衡引起的振動；運動傳遞過程中引起的振動，如變速操縱機機構(gòu)中的齒輪嚙合時的沖擊力、三角皮帶的厚度不均勻、皮帶輪質(zhì)量偏心、滑動軸承和滾動軸承尺寸及形位誤差引起的振動：往復(fù)部件運動的慣性力，如離和器控制箱體的正反轉(zhuǎn)引起的慣性力振動等等。車刀裝夾不當(dāng)引起的振動，如車刀刀尖高度不合適、刀頭伸出長度不符合要求等。車刀角度刃磨不當(dāng)引起的振動。車刀裝夾不當(dāng)與車刀刃磨方面引起的振動做需要采取的避免措施，從容減輕振動，提高工件表面質(zhì)量及加工效率。

四、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，特提出相應(yīng)的消振措施

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>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)法減少切削分力Fy及任何阻止工件與刀具沿Y方向的相對位移的因素，通常都能減弱或消除振動。主要可采取下面幾種措施：（1）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行切削，自振極不易產(chǎn)生。（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（如機床有足夠的剛度，足夠的電機功率，工件表面粗糙度參考值要求較低時等），適當(dāng)增大進給量和減小切削深度也有助于抑制振動。（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，所以高速下采用負前角切削，不致產(chǎn)生強烈的振動。通常采用雙前角消振刀，利用圖1前面的寬度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°（4）當(dāng)切削深度和進給量不變時，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。（5）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倒棱，如圖2所示，約0.1-0.3mm負倒棱，可以減小徑向切削力和抑制振動。（6）刀架系統(tǒng)如果有負剛度是時，容易“啃人”工件產(chǎn)生振動。因此，盡可能避免刀架系統(tǒng)的負剛度對車削產(chǎn)生的振動。

2.工件系統(tǒng)和刀架系統(tǒng)的剛度不是產(chǎn)生低頻振動的主要原因，可采取下面的措施來消除或減小振動：（1）用三爪或四爪夾緊工件時盡可能使工件回轉(zhuǎn)中心和主軸回轉(zhuǎn)中心的同軸度誤差最小，避免工件傾斜而斷續(xù)切削或不均勻切削造成切削力的周期性變化所產(chǎn)生的振動。（2）加工細長軸時用跟刀架、中心架可以增加切削過程穩(wěn)定性。（3）在車削時采用彈性頂尖而不采用死頂尖，避免頂力過大造成工件彎曲或頂力大小起不到支承作用使工件擺動，并注意尾座套筒懸伸不能過長。（4）定期檢查中拖板和大拖板、小刀架與中拖板之間燕尾導(dǎo)軌的接觸情況，調(diào)整好斜鑲條間隙，避免刀架移動時出現(xiàn)爬行。另外，可以用刮研聯(lián)結(jié)表面，增強聯(lián)結(jié)剛度等方法來提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抗振性。（5）合理安排主切削力的方向，比如在切斷和工件反轉(zhuǎn)切削時，由于切削力的方向與系統(tǒng)最大剛度方向趨于一致會提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.高頻振動振動頻率很高，產(chǎn)生的噪音尖銳刺耳，在加工件表面留下的痕跡細而密，振動時只是刀具本身在振動，而工件及機床部件卻很穩(wěn)定。其產(chǎn)生的主要原因是由于后刀面磨損較大，刀具后面與工件之間摩擦引起性能下降，消除或減小高頻振動的措施主要有：（1）減小車刀懸伸長度。（2）加強車刀及刀桿的抗彎剛度。（3）及時更換后刀面磨損較大的刀具。（4）裝刀具時，應(yīng)保證刀桿與工件旋轉(zhuǎn)中心垂直，緊固時要施力均勻，避免刀桿受力不平衡而彎曲產(chǎn)生振動。（5）使用減振裝置。通過這一系列針對車削過程中產(chǎn)生的不同振動，在分析產(chǎn)生振動的原因后采取響應(yīng)的措施，可明顯減小車削過程中的振動，提高了工件表面質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，延長了刀具的使用壽命。

五、小結(jié)

通過生產(chǎn)實踐，提出了控制車床振動的一些具體措施，其可有效地消除車床振動，從而提高工件加工質(zhì)量，延長機床和刀具的使用壽命。

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（作者單位：沈陽機床股份有限公司沈一車床廠）