车削加工中的振动与控制

专业：机械制造及自动化

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摘要

在机械加工中产生中的振动都具有受迫振动和自激振动，这与机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的动态特性有关。详细分析了车削加工中振动的主要类型及产生的原因、振动的危害，并从刀具、夹具、切削工艺等方面提出了减小或消除振动的措施。  

【关键词】

车削低频振动;高频振动;消除措施      

【前言】

振荡  是自然界中某种物理状态随时间发生的反复变化，或是物体随时间而作的反复运动。物质的宏观运动形式是机械运动。

振动  是一种特殊形式的机械运动，指机器或结构物在其静平衡位置附近随时间作往复振荡运动。

机械振动会使运行的机器产生巨大的交变载荷，这将导致机器使用寿命的降低甚至酿成灾难性的破坏事故，如大桥因共振而毁坏，烟囱因风振而倒塌，飞机因颤振而坠落等等。若对造成事故的原因不能做出正确的分析，设计人员往往为了安全而加大结构的断面尺寸，增加了机器重量并浪费了材料。为了解决这些振动问题，要么需提高机器本身的制造精度，要么需设置专门的装置或引入复杂的控制系统，增加了产品成本。此外，由于机械振动而产生的噪声日益形成令人厌恶的公害，不仅危及机器操作人员的身心健康，还影响环境安全和社会稳定。根据生物工程的研究，人体各器官对于1～20赫兹的低频振动（次声）特别感到不适，而高频振动同样会使人感到烦躁、厌倦和疲劳。由此可见，研究机械振动问题对机器的使用和设计都具有极其重要的实际意义。在车削过程中产生的振动，不仅干扰了正常的切削过程，严重影响了加工件的表面质量，还会缩短机床及刀具使用寿命。由此产生的噪音甚至可能影响到操作者工作情绪，对正常工作的开展带来一定负面影响；而为了减少振动，往往不得不减少加工时的进刀量，从而降低了生产率。本人通过在实习生产操作中对这一现象不断观察、分析、实践、总结，取得了一些效果，现提出一些看法供大家探讨。

一、振动的分类

一般来讲，在机械加工中产生的振动都具有受迫振动（系统在外激励力作用下产生的振动）和自激振动（系统在输入和输出之间具有反馈特性并有能源补充而产生的振动），与机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的动态特性有关。在消除机床回转组件(如电机、工件、旋转轴等)和传动系统(如皮带轮、滚动轴承、液压传动系统的压力脉冲等)的振动后，车削加工中的振动主要是不随车削速度变化的自激振动，主要是车削过程中工件系统的弯曲振动(其频率接近工件的固有频率的低频振动)和车刀的变形产生的弯曲振动(其振动频率接近车刀的固有频率的高频振动)。         

二、振动原因分析

以车削加工为例。在车床安装时加设隔振地基、传动系统无缺陷以及切削过程中无冲击存在的情况下，车削振动的主要类型是不随车削速度变化而变化的自激振动(即振颤现象)，其主要原因是加工过程中工件及刀架系统变形而产生的低频振动(其频率接近工件的固有频率)以及车刀的变形而产生的高频振动(其频率接近车刀的固有频率)。这类振动常常使机床尾座、刀架松动并使硬质合金刀片碎裂，且在工件切削表面留下较细密的痕迹。车削中的低频振动通常是工件、刀架都在振动(工件振动较大)，它们时而相离(振出)，时而趋近(振入)，产生大小相等、方向相反的作用力与反作用力(即切削力Fy和弹性恢复力F弹)。刀架的振出运动是在切削力Fy作用下产生的，对振动系统而言，Fy是外力。在振动过程中，当工件与刀架作振出运动时，切削力F振出与工件位移方向相同，对振动系统作正功，振动系统则从切削过程中吸收一部分能量E振出储存在振动系统中；刀架的振入运动则是在弹性恢复力F弹作用下产生的。当刀架振入时，F振入与工件位移方向相反，振动系统对切削过程作功，即振动系统要消耗能量E振入。由于切削力周期性变化，使得E振出> E振入或F振出>F振入，从而使工件或刀具获得了能量补充产生低频的自激振动。此时，在力和位移的关系图中，振出过程曲线处在振入过程曲线的上部(如图1 所示)。

图1

而高频振动产生的原因是在某速度区段内，刀具后刀面与切屑之间的摩擦，使切削力Fy随切削速度V的增加而减小，即具有下降特性，造成F振出>F振入，故加工系统有自激振动产生。

在车削过程中，影响切削力周期性地变化，并使F切出>F切入的情况有以下几个因素：        

2.1 切削与刀具相对运动产生的摩擦力。在加工韧性钢材时径向切削分力F开始随切削速度的增加而增大，自某一速度开始，随切削速度的增加而下降。据切削原理可知，径向切削分力Fv主要取决于切削与刀具相对运动产生的摩擦力，即切削与刀具前刀面的摩擦力。摩擦力具有随摩擦速度的增加而下降的特性，即负摩擦特性。在机械系统中，具有负摩擦特性的系统容易激发切削振动。         

2.2 振动时，刀尖相对运动的轨迹是一个形状和位置都不十分稳定的，封闭的近似椭圆。这种情况在车削螺纹或用宽刃刀(刃宽小于螺距)车削梯形螺纹的外圆时易产生，这时后一转的切削与前一转切削表面完全没有重叠。因椭圆轨迹随相位差变化而变化，从而引起切削面周期性变化，最终引起切削力周期性的变化。         

2.3 刀具在切入和退出工件时所遇到的金属硬化程度不同，从而使切削力在变化。除此以外，振动过程中刀具实际几何角度周期性改变也会引起切削力的周期性变化。         

三、消振措施

3.1由上面的分析可知，系统是否发生切削颤振，既与切削过程有关，又与工艺系统的结构刚度有关在低频振动时，主要是由于Y方向的振动引起了切削力的变化，便得F趋远> F趋近，而产生了振动。因此，除了增加系统沿Y方向的刚度及阻力外，设法减少切削分力Fy及任何阻止工件与刀具沿Y方向的相对位移的因素，通常都能减弱或消除振动。针对振动的特点，特提出相应的消振措施：   

(1)车削时，一般当v=30～70m／min速度范围内，容易产生振动，因此选择车削速度时应避开出现切削力随速度下降的中速区，在高速或低速范围进行切削，自振极不易产生。

进给量f增大，自振强度下降(如图2所示)。切削宽度blim与进给量f的关系曲线(见图3)，可知在允许条件下应尽量加大进给量f。车削加工时切削深度ap与切削宽度b的关系为b=ap/sinf(f为主偏角)，即ap越大，切削宽度b越大，越有产生振动的趋势。 

图2                          图3

 (2)应尽量避免宽而薄的切屑的切削，否则极易产生振动。在许可的情况下(如机床有足够的刚度，足够的电机功率，工件表面粗糙度参考值要求较低时等)，适当增大进给量和减小切削深度也有助于抑制振动。

(3)适当增大刀具前角γ可减小Fy力，从而减弱振动。但在切削速度较高的范围内，前角对振动的影响将减弱，所以高速下采用负前角切削，不致产生强烈的振动。由图4可见，在相同切削速度V时随前角g的增大，切削力减小，振幅也减小。因此通常采用双前角消振刀(见图5)。利用图1前面的宽度f来控制刀具和切削的接触长度，可显著减小切削力，从而抑制振动。低速时γ1>0，高速时γ0<0，γ1与γ2之间相差15°。 

图4 前角的影响

图5 双前角消振刀

(4)当切削深度和进给量不变时，随着主偏角Kγ增大，切削分力Fy减少。因此，适当增大刀具主偏角，会增加副切削刃与已加工表面的接触长度，能减小表面粗糙度值，提高刀具耐用度，可以消除或减小振动。

(5)刀具后角太大或刀刃过分锋利，刀具切入工件时，容易产生振动。当后角减小到2°～3°时，振动有明显的减弱。在刀具后面磨出一段负倒棱，如图6所示，约0．1-0．3mm负倒棱，可以减小径向切削力和抑制振动。其特点是刀尖不易切入金属，且后角小，有减振作用，切削时稳定性好。 

图6 倒棱减振车刀

(6)刀架系统如果有负刚度是时，容易“啃入”工件产生振动。因此，尽可能避免刀架系统的负刚度对车削产生的振动。

3.2工件系统和刀架系统的刚度不是产生低频振动的主要原因，可采取下面的措施来消除或减小振动：

(1)用三爪或四爪夹紧工件时尽可能使工件回转中心和主轴回转中心的同轴度误差最小，避免工件倾斜而断续切削或不均匀切削造成切削力的周期性变化所产生的振动。

(2)加工细长轴时用跟刀架、中心架可以增加切削过程稳定性。

(3)在车削时采用弹性顶尖而不采用死顶尖，避免顶力过大造成工件弯曲或顶力大小起不到支承作用使工件摆动，并注意尾座套筒悬伸不能过长。

(4)定期检查中拖板和大拖板、小刀架与中拖板之间燕尾导轨的接触情况，调整好斜镶条间隙，避免刀架移动时出现爬行。另外，可以用刮研联结表面，增强联结刚度等方法来提高结构系统的抗振性。

(5)合理安排主切削力的方向，比如在切断和工件反转切削时，由于切削力的方向与系统最大刚度方向趋于一致会提高系统的稳定性。

3.3高频振动振动频率很高，产生的噪音尖锐刺耳，车削时，由于工艺系统的振动，在加工件表面留下的痕迹细而密，简称（振纹）。可以从以下几个方面加以防止：

(1)机床方面  调整主轴间隙，提高轴承精度；调整中﹑小滑板镶条，使间隙小于0.04mm，并保证移动平稳﹑轻便。选用功率适宜的车床，增强车床安装的稳定性。

(2)刀具方面  这是产生振纹的主要原因。主要由于后刀面磨损较大，刀具后面与工件之间摩擦的下降性能引起的。要合理选择刀具几何参数，经常保持切削刃光洁﹑锋利。增加刀柄的截面积，减小车刀悬伸长度。加强车刀及刀杆的抗弯刚度。及时更换后刀面磨损较大的刀具。 装刀具时，应保证刀杆与工件旋转中心垂直，紧固时要施力均匀，避免刀杆受力不平衡而弯曲产生振动。

(3)工件方面  增加工件的安装刚性，例如将装夹工件悬伸长度尽量缩短，只要满足加工需要即可。

(4)切削用量方面  选用较小的切削深度和进给量。

(5)使用减振装置。

四、结束语  

通过对车削加工过程中产生振动的原因和基本规律采取相应的减振措施，可使切削加工中的振动现象明显减小，大大提高工件表面质量及机床刀具的工艺能力。但完全消除振动现象，尚待进一步深入研究振动机理、寻找产生原因及消除措施。通过这一系列针对车削过程中产生的不同振动，在分析产生振动的原因后采取响应的措施，可明显减小车削过程中的振动，提高了工件表面质量和劳动生产率，延长了机床和刀具的使用寿命，为劳动者提供更好的工作环境。 

五、参考文献  

［1］陈宇．车工技师、技能［M］．北京：中国劳动和社会保障出版社．2003． 

［2］彭德荫．车工工艺与技能训练［M］．北京：中国劳动社会保障出版社，2001．

［3］王茂元机械制造技术［M］．北京：机械工业出版社.2001