剖析車削加工振動與控制原理

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【摘要】在機械加工中產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的動態特性有關。詳細分析了車削加工中振動的主要類型及產生的原因、振動的危害，并從刀具、夾具、切削工藝等方面提出了減小或消除振動的措施。

【關鍵詞】車削低頻振動；高頻振動；消除措施

在車削過程中產生的振動，不僅干擾了正常的切削過程，嚴重影響了加工件的表面質量，還會縮短機床及刀具使用壽命。由此產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面影響；而為了減少振動，往往不得不減少加工時的進刀量，從而降低了生產率。本人通過在工作中對這一現象不斷觀察、分析、實踐、總結，取得了一些效果，現提出一些看法供大家探討。

一、振動的分類

一般來講，在機械加工中產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的動態特性有關。在消除機床回轉組件(如電機、工件、旋轉軸等)和傳動系統(如皮帶輪、滾動軸承、液壓傳動系統的壓力脈沖等)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)。

二、振動原因

分析低頻振動的振動頻率較低，通常發出的噪音比較低沉，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和刀架系統都在振動，它們時而趨遠，時而趨近，產生大小相等方向相反的作用和反作用力。在振動過程中，當工件與刀具趨遠時，切削力F趨遠與工件位移方向相同，所做之功為正值，系統獲得輸入能量E(+)，當工件趨近刀具時，切削力F趨近與工件位移方向相反，所做之功為負值，系統消耗能量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>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)所做之負功，從而使工件(或刀具)獲得能量補充產生自激振動。

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切削與刀具相對運動產生的摩擦力。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動產生的摩擦力，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，即負摩擦特性。在機械系統中，具有負摩擦特性的系統容易激發切削振動。

2.2再生切削時因工件在前一轉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(后次)切削的振紋相對于前轉(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，Yn(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功，系統就會有能量輸人，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，刀尖相對運動的軌跡是一個形狀和位置都不十分穩定的，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生，這時后一轉的切削與前一轉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，振動過程中刀具實際幾何角度周期性改變也會引起切削力的周期性變化。

三、消振措施

由上面的分析可知，系統是否發生切削顫振，既與切削過程有關，又與工藝系統的結構剛度有關，針對振動的特點，特提出相應的消振措施。

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>F趨近，而產生了振動。因此，除了增加系統沿Y方向的剛度及阻尼外，設法減少切削分力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v=30～70m／min速度范圍內，容易產生振動，因此選擇車削速度時應避開出現切削力隨速度下降的中速區，在高速或低速范圍進行切削，自振極不易產生。

(2)應盡量避免寬而薄的切屑的切削，否則極易產生振動。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)，適當增大進給量和減小切削深度也有助于抑制振動。

(3)適當增大刀具前角γ可減小Fy力，從而減弱振動。但在切削速度較高的范圍內，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，容易產生振動。當后角減小到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)刀架系統如果有負剛度是時，容易“啃人”工件產生振動。因此，盡可能避免刀架系統的負剛度對車削產生的振動。

3.2工件系統和刀架系統的剛度不是產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中心和主軸回轉中心的同軸度誤差最小，避免工件傾斜而斷續切削或不均勻切削造成切削力的周期性變化所產生的振動。

(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軌的接觸情況，調整好斜鑲條間隙，避免刀架移動時出現爬行。另外，可以用刮研聯結表面，增強聯結剛度等方法來提高結構系統的抗振性。

(5)合理安排主切削力的方向，比如在切斷和工件反轉切削時，由于切削力的方向與系統最大剛度方向趨于一致會提高系統的穩定性。

3.3高頻振動振動頻率很高，產生的噪音尖銳刺耳，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定。其產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的下降性能引起的，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，應保證刀桿與工件旋轉中心垂直，緊固時要施力均勻，避免刀桿受力不平衡而彎曲產生振動。

(5)使用減振裝置。

四、結束語

通過這一系列針對車削過程中產生的不同振動，在分析產生振動的原因后采取響應的措施，可明顯減小車削過程中的振動，提高了工件表面質量和勞動生產率，延長了刀具的使用壽命。

參考文獻：

［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．

［2］彭德蔭．車工工藝與技能訓練［M］．北京：中國勞動社會保障出版社，2001．