淺談如何控制車削加工中的振動(dòng)現(xiàn)象

摘 要：機(jī)械加工過程中由于加工刀具、夾具、機(jī)床以及工件的動(dòng)態(tài)特性會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，這些振動(dòng)的產(chǎn)生又會(huì)反作用到工藝系統(tǒng)。文章通過對(duì)振動(dòng)的類型進(jìn)行分析，并對(duì)振動(dòng)的危害進(jìn)行了詳細(xì)的探討，分別從夾具方面、刀具方面以及工藝方面對(duì)消除切削的振動(dòng)現(xiàn)象做出一定合理的建議，并提出了一些意見。

關(guān)鍵詞：高頻振動(dòng)；低頻振動(dòng)；車削加工

前言

切削的過程中由于刀具工件以及夾具會(huì)相互之間產(chǎn)生作用力，在這種力的作用下相互之間產(chǎn)生了振動(dòng)，這種振動(dòng)在工件的加工中不可避免的會(huì)產(chǎn)生，但是其產(chǎn)生會(huì)對(duì)切削的過程造成干擾，會(huì)使得工件表面的加工質(zhì)量受到嚴(yán)重的影響，同時(shí)受到振動(dòng)影響刀具以及機(jī)床的壽命也會(huì)相應(yīng)的縮短。同時(shí)，振動(dòng)的產(chǎn)生會(huì)相應(yīng)的造成噪音，這種噪聲的產(chǎn)生也影響著操作人員的健康以及情緒，這些都會(huì)對(duì)正常的工作造成負(fù)面的影響。通過對(duì)加工的進(jìn)刀量進(jìn)行減少可以相應(yīng)的降低振動(dòng)的產(chǎn)生，但是這樣一來生產(chǎn)的效率就會(huì)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(shí)踐、分析，總結(jié)出一些關(guān)于如何在不影響生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上有效的降低振動(dòng)的產(chǎn)生的措施，在此同各位相互探討。

1 振動(dòng)的分類

對(duì)于振動(dòng)，在機(jī)械的加工過程中，由于各個(gè)部件相互會(huì)在機(jī)械運(yùn)作中產(chǎn)生作用，這種作用力下產(chǎn)生的振動(dòng)主要有受迫振動(dòng)以及自激振動(dòng)，這和夾具、機(jī)床以及道具、工件的動(dòng)態(tài)特性相關(guān)。對(duì)于機(jī)床，主要的振動(dòng)來自回轉(zhuǎn)組件和傳動(dòng)系統(tǒng)，在對(duì)此類振動(dòng)進(jìn)行消除后，車削加工中所產(chǎn)生的振動(dòng)就不是由于速度變化而產(chǎn)生的，而是自激振動(dòng)，而自激振動(dòng)是同工件所具有的頻率相接近的低頻振動(dòng)，主要是由于加工過程中工件的彎曲所造成的，彎曲震動(dòng)不僅僅會(huì)產(chǎn)生在工件的彎曲變化上，同時(shí)在車刀上也會(huì)存在，這種車道上的變形振動(dòng)同車刀自身的頻率相近，即是高頻振動(dòng)。

2 產(chǎn)生的原因

振動(dòng)的主要特點(diǎn)就是頻率不同，低頻振動(dòng)顧名思義就是具有較低的振頻，其振動(dòng)產(chǎn)生的聲音相對(duì)低沉，并且振動(dòng)幅度較大，其作用的結(jié)果就是會(huì)在加工的工件表面留下寬而深的痕跡，這就是振動(dòng)痕跡。并且低頻振動(dòng)發(fā)生的時(shí)候刀架系統(tǒng)以及工件系統(tǒng)通常都會(huì)振動(dòng)，由于時(shí)遠(yuǎn)時(shí)近因此就會(huì)在刀架和工件之間產(chǎn)生方向不同大小相等的作用力以及反作用力。振動(dòng)時(shí)切削力F在刀具和工件相遠(yuǎn)離時(shí)其作用的方向同工件的位移方向一致，這時(shí)切削力做正功，系統(tǒng)就會(huì)獲得正的輸入能量E（+），反之，工件和刀具相接近時(shí)，切削力F同工件位移方向相背，這時(shí)切削力做負(fù)功，系統(tǒng)則會(huì)消耗能量E（-），而在整個(gè)切削的過程中，切削力會(huì)在各個(gè)因素的影響下產(chǎn)生周期性的變化，使得趨遠(yuǎn)的切削力大于趨近的切削力，使得系統(tǒng)獲得能量大于消耗的能量，即，每一個(gè)振動(dòng)周期中，切削力所做的正功總是大于其做的負(fù)功，這就是工件或者是刀具會(huì)產(chǎn)生自激振動(dòng)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(gè)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(dòng)會(huì)在加工時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦力，在對(duì)韌性鋼材進(jìn)行加工時(shí)，徑向的切削力F會(huì)隨著切削的速度變化產(chǎn)生相應(yīng)的變化，速度越大F越大，但是，速度會(huì)在某一個(gè)速度上出現(xiàn)相反的變化，即，速度增加力反而會(huì)變小。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是因?yàn)榈毒咴诩庸み^程中同工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)摩擦力會(huì)直接影響切削分力大小。摩擦速度會(huì)直接性的影響摩擦力的大小，這就是摩擦作用力中的負(fù)摩擦特性。而這種特性作用在機(jī)械生產(chǎn)中就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。

2.2 再生切削時(shí)因工件在前一轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)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(shí)的切削力所做的功大于振入時(shí)切削力所做的負(fù)功，系統(tǒng)就會(huì)有能量輸入，振動(dòng)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(shí)的情況相反。

2.3 振動(dòng)的作用下，刀尖的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性會(huì)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(jīng)常會(huì)出現(xiàn)，前一轉(zhuǎn)同后一轉(zhuǎn)在重疊上具有著不完全性，因此就會(huì)出現(xiàn)軌跡相對(duì)變動(dòng)的橢圓，這種變化會(huì)隨著切削力的周期性變化而產(chǎn)生切削面的周期性變化。

2.4 金屬在結(jié)構(gòu)上也會(huì)存在差異，因此一個(gè)工件的不同位置會(huì)在硬度上出現(xiàn)差異，所以，刀具在進(jìn)行切入以及退出的過程中就會(huì)產(chǎn)生作用變化，切削力會(huì)隨之改變。不僅如此，刀具在振動(dòng)的影響下，會(huì)因?yàn)閹讉€(gè)角度的切入改變產(chǎn)生走起變化，這種變化必然會(huì)對(duì)切削力造成不利影響。

3 切削中各個(gè)因素都會(huì)對(duì)設(shè)備整體產(chǎn)生振動(dòng)造成影響，這種影響發(fā)生在加工的過程中，同時(shí)，還會(huì)受到加工的工藝流程，技術(shù)等相關(guān)的因素限制，另外工件材質(zhì)的剛度也會(huì)影響振動(dòng)的出現(xiàn)。所以，震顫發(fā)生在系統(tǒng)加工中的條件是多樣的，因此消除措施也要具有針對(duì)性。

3.1 Y方向在低振頻的影響下，會(huì)使得周期切削力出現(xiàn)，作用力在相互遠(yuǎn)離時(shí)的大小要大于相互趨近時(shí)，這就是振動(dòng)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(duì)于振動(dòng)的出現(xiàn)以及其出現(xiàn)后的強(qiáng)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(duì)切削分離進(jìn)行減少以及對(duì)Y方向上的相對(duì)位移進(jìn)行減少，都可以達(dá)到減弱振動(dòng)的效果。主要可采取下面幾種措施：

（1）車削時(shí)，一般當(dāng)v=30～70m/min速度范圍內(nèi)，容易產(chǎn)生振動(dòng)，因此選擇車削速度時(shí)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(jìn)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(dòng)。在許可的情況下（如機(jī)床有足夠的剛度，足夠的電機(jī)功率，工件表面粗糙度參考值要求較低時(shí)等），適當(dāng)增大進(jìn)給量和減小切削深度也有助于抑制振動(dòng)。

（3）適當(dāng)增大刀具前角γ可減小Fy力，從而減弱振動(dòng)。但在切削速度較高的范圍內(nèi)，前角對(duì)振動(dòng)的影響將減弱，所以高速下采用負(fù)前角切削，不致產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。

（4）當(dāng)切削深度和進(jìn)給量不變時(shí)，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(dòng)。

3.2 工件系統(tǒng)和刀架系統(tǒng)的剛度不是產(chǎn)生低頻振動(dòng)的主要原因，可采取下面的措施來消除或減小振動(dòng)：

（1）用三爪或四爪夾緊工件時(shí)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(dòng)。

（2）加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)用跟刀架、中心架可以增加切削過程穩(wěn)定性。

（3）在車削時(shí)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(dòng)，并注意尾座套筒懸伸不能過長(zhǎng)。

（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(dòng)時(shí)出現(xiàn)爬行。另外，可以用刮研聯(lián)結(jié)表面，增強(qiáng)聯(lián)結(jié)剛度等方法來提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抗振性。

3.3 在振動(dòng)頻率上高頻振動(dòng)較高，發(fā)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(xì)的，這種振動(dòng)的產(chǎn)生主要原因就在于刀具的后刀面出現(xiàn)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(dòng)的措施主要有：

（1）減小車刀懸伸長(zhǎng)度。（2）加強(qiáng)車刀及刀桿的抗彎剛度。（3）及時(shí)更換后刀面磨損較大的刀具。（4）裝刀具時(shí)，應(yīng)保證刀桿與工件旋轉(zhuǎn)中心垂直，緊固時(shí)要施力均勻，避免刀桿受力不平衡而彎曲產(chǎn)生振動(dòng)。（5）使用減振裝置。

4 結(jié)束語

通過這一系列針對(duì)車削過程中產(chǎn)生的不同振動(dòng)，在分析產(chǎn)生振動(dòng)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(dòng)，提高了工件表面質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，延長(zhǎng)了刀具的使用壽命。