切削過程動力參數變化與顫振的關聯分析

摘要：通過對動態切削力的產生過程進行研究，分析切削厚度、進給速度、切削速度等動力參數變化對切削力的影響，進而分析動態切削力對“機床-刀具-工件”組成的振動系統的影響，討論各參數的影響程度，為機床切削顫振分析與控制方法研究提供理論依據。

關鍵詞：動力參數 顫振 關聯分析

0 引言

機床切削時是否產生自激振動——顫振，取決于切削過程和機床結構的動力性，以及他們之間的相互關系，本文通過對動態切削力產生過程的研究，分析切削參數變化對動態切削力的影響。

1 動態切削過程

動態切削過程即產生振動的切削過程，切削力按周期變化，靜態（穩態）過程即沒有振動的切削過程，切削力是穩定不變的。我們基于車床中切斷加工案例對穩態切削過程與動態切削過程進行區分，構建出圖一所示的動力學模型。在動力學模型中，僅僅關注工件AB方向上刀具的振動，也就是簡化原有的“機床-刀具-工件”構成的振動系統，使之形成單自由度系統。

假設切削過程中無振動現象，則可判定刀具與工件之間是穩定的相對運動的狀態。穩態切削力為：F0=f（V0，Vf0，a0，…），式中V0，Vf0，a0常數，系統在F0的影響下不會振動，而是只產生靜位移，這就是所謂的穩態切削過程。

切削時，假設材料的缺陷或硬點與刀具接觸，則刀具與工件之間會沿AB方向相對振動，分量BC的速度和方向與切削速度方向一致，由此，切削速度始終浮動在V0+dV～V0-dV之間，并且也改變了后刀面相對摩擦速度。分量BC與進給速度方向一致，使得切削厚度在a0+dV～a0-dV之間浮動，進給速度也在Vf0+dVf～Vf0-dVf之間浮動，切削平面也因切削速度、進給速度的調整而產生變化，致使工作前后角出現dr與da的變化。每一項變化都可能造成切削力在F0+dF～F0-dF之間調整，使之形成圖二所示的動態切削力。動態切削力能夠對“機床-刀具-工件”構成的振動系統產生反作用力，使之形成具有反饋功能的調節環。經試驗研究發現，切削厚度a，進給速度Vf，切削速度V對顫振的影響最大，忽略其他因素的影響，動態切削力的變化量為：

2 切削厚度的變化效應——再生效應

切削金屬時， 刀具通常會重復前一個刀齒切削過的表面。而已加工的表面往往殘留振紋，切刀再次落到上一次刀齒切過的表面時，振紋的存在會使切削厚度有一定幅度的增減，使得切削力產生波動，繼而造成刀具與工件之間相對振動，振動過程中有新的振紋產生，久而久之形成惡性循環，振紋的累積造成加工表面顫振，我們把這種現象叫做切削厚度變化效應，即再生效應。

在切削塑性金屬且切削速度較高時，一方面金屬的流動速度大于塑性變形的速度使剪切變形區縮小；另一方面使切削底層與前刀面接觸的一層金屬處于微熔狀態，形成了潤滑油膜，降低了摩擦系數。切削力隨切削速度的提高而減小，振動方向偏離切削速度方向。

5 引起顫振的其它原因

刀具前刀面與切屑之間的摩擦，由于切屑形成的周期性，使切削力周期變化，導致顫振產生；刀具后刀面與工件之間的摩擦也會引起摩擦型顫振。

6 結論

由于材料的硬點或缺陷，使刀具-工件之間產生相對振動，形成動態切削力，動態切削力對“機床-刀具-工件”構成的振動系統產生反作用力，使之顫振。并且相關動力參數的調整（如切削厚度、進給速度、切削速度等）會直接影響顫振的效果。

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基金項目：金屬切削加工過程的穩定性研究（14DZY19）。

作者簡介：張維蘭（1966-），女，達州職業技術學院圖書館，副教授，研究方向：機械加工，熱加工。