淺談如何控制車削加工中的振動現象

摘 要：機械加工過程中由于加工刀具、夾具、機床以及工件的動態特性會產生相應的振動，這些振動的產生又會反作用到工藝系統。文章通過對振動的類型進行分析，并對振動的危害進行了詳細的探討，分別從夾具方面、刀具方面以及工藝方面對消除切削的振動現象做出一定合理的建議，并提出了一些意見。

關鍵詞：高頻振動；低頻振動；車削加工

前言

切削的過程中由于刀具工件以及夾具會相互之間產生作用力，在這種力的作用下相互之間產生了振動，這種振動在工件的加工中不可避免的會產生，但是其產生會對切削的過程造成干擾，會使得工件表面的加工質量受到嚴重的影響，同時受到振動影響刀具以及機床的壽命也會相應的縮短。同時，振動的產生會相應的造成噪音，這種噪聲的產生也影響著操作人員的健康以及情緒，這些都會對正常的工作造成負面的影響。通過對加工的進刀量進行減少可以相應的降低振動的產生，但是這樣一來生產的效率就會受到影響。本人從事切削加工工作多年，在工作中通過觀察、實踐、分析，總結出一些關于如何在不影響生產效率的基礎上有效的降低振動的產生的措施，在此同各位相互探討。

1 振動的分類

對于振動，在機械的加工過程中，由于各個部件相互會在機械運作中產生作用，這種作用力下產生的振動主要有受迫振動以及自激振動，這和夾具、機床以及道具、工件的動態特性相關。對于機床，主要的振動來自回轉組件和傳動系統，在對此類振動進行消除后，車削加工中所產生的振動就不是由于速度變化而產生的，而是自激振動，而自激振動是同工件所具有的頻率相接近的低頻振動，主要是由于加工過程中工件的彎曲所造成的，彎曲震動不僅僅會產生在工件的彎曲變化上，同時在車刀上也會存在，這種車道上的變形振動同車刀自身的頻率相近，即是高頻振動。

2 產生的原因

振動的主要特點就是頻率不同，低頻振動顧名思義就是具有較低的振頻，其振動產生的聲音相對低沉，并且振動幅度較大，其作用的結果就是會在加工的工件表面留下寬而深的痕跡，這就是振動痕跡。并且低頻振動發生的時候刀架系統以及工件系統通常都會振動，由于時遠時近因此就會在刀架和工件之間產生方向不同大小相等的作用力以及反作用力。振動時切削力F在刀具和工件相遠離時其作用的方向同工件的位移方向一致，這時切削力做正功，系統就會獲得正的輸入能量E（+），反之，工件和刀具相接近時，切削力F同工件位移方向相背，這時切削力做負功，系統則會消耗能量E（-），而在整個切削的過程中，切削力會在各個因素的影響下產生周期性的變化，使得趨遠的切削力大于趨近的切削力，使得系統獲得能量大于消耗的能量，即，每一個振動周期中，切削力所做的正功總是大于其做的負功，這就是工件或者是刀具會產生自激振動的原因。

綜合分析車削過程中受力狀況，其切削力的周期變化主要受到以下幾個因素影響：

2.1 刀具同工件之間的摩擦力。在切削過程中由于工件或者是刀具的移動會在加工時產生相應的摩擦力，在對韌性鋼材進行加工時，徑向的切削力F會隨著切削的速度變化產生相應的變化，速度越大F越大，但是，速度會在某一個速度上出現相反的變化，即，速度增加力反而會變小。這種現象的出現主要是因為刀具在加工過程中同工件的相對運動摩擦力會直接影響切削分力大小。摩擦速度會直接性的影響摩擦力的大小，這就是摩擦作用力中的負摩擦特性。而這種特性作用在機械生產中就會產生振動。

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。在振出的半周期中的平均切削厚度大于振入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入時切削力所做的負功，系統就會有能量輸入，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 振動的作用下，刀尖的運動穩定性會受到影響，形成形狀近似封閉橢圓的軌跡。在車削螺紋或者是寬刃刀切削的方牙螺紋的加工中在外圓上經常會出現，前一轉同后一轉在重疊上具有著不完全性，因此就會出現軌跡相對變動的橢圓，這種變化會隨著切削力的周期性變化而產生切削面的周期性變化。

2.4 金屬在結構上也會存在差異，因此一個工件的不同位置會在硬度上出現差異，所以，刀具在進行切入以及退出的過程中就會產生作用變化，切削力會隨之改變。不僅如此，刀具在振動的影響下，會因為幾個角度的切入改變產生走起變化，這種變化必然會對切削力造成不利影響。

3 切削中各個因素都會對設備整體產生振動造成影響，這種影響發生在加工的過程中，同時，還會受到加工的工藝流程，技術等相關的因素限制，另外工件材質的剛度也會影響振動的出現。所以，震顫發生在系統加工中的條件是多樣的，因此消除措施也要具有針對性。

3.1 Y方向在低振頻的影響下，會使得周期切削力出現，作用力在相互遠離時的大小要大于相互趨近時，這就是振動的主要原因。這樣一來，就可以看出阻尼以及剛度在Y方向上的大小對于振動的出現以及其出現后的強弱具有著直接的影響作用。所以，Y方向上的影響因素的降低可以通過對切削分離進行減少以及對Y方向上的相對位移進行減少，都可以達到減弱振動的效果。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。

（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。

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。

3.3 在振動頻率上高頻振動較高，發出的聲音尖銳刺耳，在工件的表面所留下的痕跡也是密而細的，這種振動的產生主要原因就在于刀具的后刀面出現了較大的磨損，因而使得刀具同工件之間的摩擦性能下降，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。

4 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。