車床加工中的振動原因分析及對策

黃力剛，蘇 靜

（河南工業職業技術學院，河南南陽473009）

當車床發生振動時，工件表面質量惡化，產生明顯的表面振紋，粗糙度增大，這時必須降低切用量，使車床的各種效率大大降低。強烈振動時，會產生崩刃現象，使切削加工過程無法進行。由于振動將使車床和刀具磨損加劇，縮短車床和刀具的使用壽命；振動伴隨有噪音，危害工人的身心健康，使工作環境惡化。因此，我們應了解振動產生的原因，掌握其規律，并加以限制或消除。

1 振動的概念及分類

在自然界和生產實踐中，人們經常可以看到物體在其平衡位置附近作往復運動的現象。這種往復性的機械運動，稱為機械振動。如樂器的琴弦或簧片的振動，發動機開動時機身和地基的振動等。

機械振動的形式很多，隨著分類方法不同，可分為許多類型；按產生振動的原因分類，則可分為自由振動、強迫振動和自激振動。

（1）自由振動。當系統的平衡被破壞，只靠其彈性恢復力來維持的振動稱為自由振動。由于振動系統存在阻尼，故自由振動往往很快衰減而消失。

（2）強迫振動。系統在周期性變化的外力作用下所產生的振動。

（3）自激振動。系統具有非振蕩性能源和反饋特性，從而引起一種穩定的周期性振動，維持振動的交變力由運動本身產生和控制。

2 車床振動的原因分析

車床在工作中影響加工的振動主要屬于強迫振動和自激振動。

2.1 強迫振動產生的原因

強迫振動是由外界周期性的干擾力所引起和維持的振動。支持振動的干擾力，是由外界產生的，振動的特性由外界決定。因此，為了消除強迫振動，首先必須了解振動產生的原因，并確定引起振動的根源——振源。

強迫振動產生的原因主要有：

（1）系統外部的周期性干擾源；

（2）旋轉零件質量偏心產生的離心力；

（3）運動傳遞過程中傳動零件的誤差；

（4）切削過程中的間隙特性。

車床在機械加工過程中，產生振動的振源有兩種：一是來自車床內部的機內振源；另一種是來自機床外部的機外振源。

機內振源——車床上電動機的振動，包括轉子旋轉不平衡及電磁力不平衡引起的振動；機床回轉零件的不平衡，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，如變速操縱機機構中的齒輪嚙合時的沖擊力，卸荷帶輪把徑向載荷卸給箱體時的振動，三角皮帶的厚度不均勻，皮帶輪質量偏心，雙向多片摩擦離合器、滑動軸承和滾動軸承尺寸及形位誤差引起的振動；往復部件運動的慣性力，如離合器控制箱體的正反轉引起的慣性力振動；切削時的沖擊振動，如切削帶有鍵槽的工件表面時循環沖擊載荷引起的振動；車床液壓系統的壓力脈動。

機外振源——其他機床、鍛壓設備、火車、汽車等通過地基傳給車床的振動。

2.2 自激振動產生的原因

自激振動是在沒有外來的周期性干擾力的條件下，由振動系統本身引起的交變力作用而產生的振動。在機械加工過程中，這種振動是由振動過程本身引起某種切削力的周期性變化，又由這個周期性變化的切削力反過來加強和維持振動，使振動系統補充了由阻尼作用消耗的能量。當振動運動停止時，該交變力也就消失。這種在金屬切削過程中的自激振動，一般稱為切削顫振，簡稱為顫振。

自激振動的特點主要有：

（1）自激振動是一種不衰減振動，外部振源在最初起觸發作用，但維持振動所需交變力是振動過程本身產生的。因此系統運動一停止，交變力也隨之消失。即停止切削運動，自激振動也隨之消失。

（2）自激振動的頻率接近或等于系統的固有頻率。

（3）自激振動是否產生以及振幅的大小，取決于振動系統周期內輸入和消耗的能量對比。

3 減少及消除車床振動的措施

3.1 減小和消除強迫振動的措施

（1）減小或消除振源的激振力。其一，是消減工藝系統中回轉零件的不平衡。對轉速在600 r/min以上的回轉零件，在使用時就應注意其結構與回轉中心的對稱性；在使用中應進行動、靜平衡，以減小回轉類零件因不平衡引起的離心力及沖擊力；其二，是提高傳動零件的制造精度。提高傳動零件的制造精度是為了減小或消除傳動過程中的沖擊。因此，可以通過提高傳動齒輪的制造精度和裝配質量，或采用對振動沖擊不敏感的高阻尼類材料制造傳動件，以有效地減小振動。

（2）改進傳動機構的缺陷與隔振。為了防止液壓傳動引起的振動，最好將液壓泵與機床分離開，并采用軟管連接。技術要求高的精密機床，最好采用葉片泵或螺旋泵，減小壓力脈動。對于從機床外部由地基傳來的干擾振動，則主要是采用隔振措施，使由內、外振源激起的振動，不能傳到刀具和工件上去。如電動機安裝隔振橡皮。

（3）提高工藝系統本身的抗振性。提高機床、工件及刀具的剛度，都會增加系統的抗振性；增加阻尼，也是減小振動的有效辦法。應在結構設計時，考慮增加阻尼及剛度，以達到減振目的。

（4）調節振動源頻率。在選擇轉速時，盡可能使旋轉件的頻率遠離機床有關元件的固有頻率，避開共振區。

（5）采用減振器與阻尼器。當使用上述方法仍無效時，可考慮使用阻尼器或減振器。

需要指出的是，強迫振動只有在高速切削車床和重型車床發生諧振的情況下，才會影響加工質量。在大多數中等速度的車床上，強迫振動常常是離諧振頻率范圍較遠的非高頻振動；這種振動并不引起處于不同方位的結合面中的間隙的改變，故不影響車床的工作性能。

3.2 減小和消除自激振動的措施

切削過程中的自激振動，既與切削過程有關，又與工藝系統的結構有關。消除、減小自激振動的最關鍵的問題，是減小內激振力。在工藝上有以下途徑：

（1）合理地選擇切削用量，其包括切削速度、進給量和背吃刀量的合理選擇；

（2）合理的選擇刀具的幾何參數，其包括前角、主偏角、后角及刀尖圓角的選擇；

（3）合理安排刀尖高低及潤滑；

（4）提高工藝系統的抗振性。

4 提高工藝系統抗振性的措施

4.1 提高工件系統的抗振性

在工藝系統中，工件系統往往是易于發生振動的薄弱環節，因此提高工件系統的抗振性是十分必要的，通常可根據具體情況相應地采取下列措施：

（1）盡可能在接近加工處夾緊工件，使切削力接近夾持處；

（2）沿工件全長多夾數點，以減少在切削力作用下的變形；

（3）車削薄壁管時，管內灌水、油或砂，以提高工件系統的阻尼性能；

（4）提高軸類工件頂尖孔的質量；

（5）加工細長軸時采用中心架；

（6）采用一種能在刀具和工件間實現附加聯系的裝置，如車床上使用的跟刀架、跟刀架式刀夾以及浮動刀夾等。這些裝置可在“刀具-工件”系統中實現力的內封閉，起了提高系統剛度、從而也間接提高抗振性的作用。

4.2 提高刀具系統的抗振性

（1）增大車刀截面，減小懸伸距，磨光車刀定位面；

（2）提高刃磨質量；

（3）裝在圓柱刀桿上的刀具，要采用保證正確定心的配合。

5 結束語

車床工作時產生的振動，不僅會影響機床的動態精度和被加工零件的質量，而且還會降低生產效率和刀具的耐用度。我們在加工過程中，要注意分析振動產生的原因，合理的選擇機床、刀具、切削用量和裝夾方式等，減少加工過程中的振動，提高加工質量。

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