淺談車(chē)床的振動(dòng)起因及其控制

孫茂悅 黃濱

摘 要：近年來(lái)，由于科技水平的不斷提升，對(duì)于零件表面的質(zhì)量提出了更高的要求，在生產(chǎn)過(guò)程中，由于振動(dòng)的存在，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量得不到有效提升。為此，有必要對(duì)機(jī)械加工制造過(guò)程中振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析，并探求消震的方法與途徑，已經(jīng)成為機(jī)械加工領(lǐng)域所必須慎重考慮的問(wèn)題。本文將在對(duì)車(chē)削加工的內(nèi)容和分類(lèi)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹的基礎(chǔ)上，對(duì)車(chē)削過(guò)程中振動(dòng)的原因進(jìn)行深入分析，并提出相應(yīng)地消振與減振措施。

關(guān)鍵詞：車(chē)床；車(chē)削；加工振動(dòng)

在進(jìn)行車(chē)削加工時(shí)，刀具和加工的工件之間會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)正常的切削過(guò)程產(chǎn)生了嚴(yán)重干擾，對(duì)于機(jī)械加工極其不利。車(chē)床在發(fā)生振動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)直接影響工件表面的質(zhì)量，出現(xiàn)較深的表面振紋，直接導(dǎo)致工件粗糙度變大。同時(shí)，強(qiáng)烈的振動(dòng)有可能會(huì)導(dǎo)致車(chē)刀出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，致使切削加工中斷。此外，車(chē)床和刀具在振動(dòng)的環(huán)境下工作，會(huì)加快其磨損速度，導(dǎo)致車(chē)床和刀具使用壽命大大縮短。另外，振動(dòng)還伴隨有噪聲，危害工人身心健康，使工作環(huán)境惡化。這時(shí)必須降低切削用量，導(dǎo)致車(chē)床的工作效率大大降低。

一、車(chē)削加工的主要內(nèi)容

1.數(shù)控車(chē)削加工包括端面、內(nèi)外輪廓面、成形表面、螺紋、切斷等工序的切削加工；

2.數(shù)控車(chē)床主要用于加工軸類(lèi)、盤(pán)類(lèi)等回轉(zhuǎn)體零件；

3.車(chē)銑中心上可以實(shí)現(xiàn)車(chē)削和銑削的復(fù)合加工；

4.數(shù)控車(chē)削工藝靈活多變，其豐富的循環(huán)功能指令、各類(lèi)刀具的選擇，是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容；

5.在數(shù)控車(chē)床和車(chē)削中心上加工的零件，一般采用手工編程，對(duì)具有復(fù)雜外輪廓的回轉(zhuǎn)體零件可以采用自動(dòng)編程。

二、車(chē)削加工振動(dòng)的分類(lèi)

一般來(lái)講，在機(jī)械加工中產(chǎn)生的振動(dòng)都具有受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)，與機(jī)床、夾具、刀具和工件組成的工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。在消除機(jī)床回轉(zhuǎn)組件（如電機(jī)、工件、旋轉(zhuǎn)軸等）和傳動(dòng)系統(tǒng)（如皮帶輪、滾動(dòng)軸承、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的壓力脈沖等）的振動(dòng)后，車(chē)削加工中的振動(dòng)主要是不隨車(chē)削速度變化的自激振動(dòng)，主要是車(chē)削過(guò)程中工件系統(tǒng)的彎曲振動(dòng)（其頻率接近工件的固有頻率的低頻振動(dòng)）和車(chē)刀的變形產(chǎn)生的彎曲振動(dòng)（其振動(dòng)頻率接近車(chē)刀的固有頻率的高頻振動(dòng)）。

三、車(chē)削加工中車(chē)刀產(chǎn)生振動(dòng)的原因

在車(chē)削加工過(guò)程中導(dǎo)致車(chē)刀產(chǎn)生振動(dòng)的原因是多種多樣的，有由于機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)引起的振動(dòng)，由于車(chē)刀裝夾不當(dāng)引起的振動(dòng)，還有刀具刃磨角度問(wèn)題引起的振動(dòng)。其中由于機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)引起的振動(dòng)包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不平衡、機(jī)床回轉(zhuǎn)零件的不平衡如皮帶輪、卡盤(pán)、刀盤(pán)和工件不平衡引起的振動(dòng)；運(yùn)動(dòng)傳遞過(guò)程中引起的振動(dòng)，如變速操縱機(jī)機(jī)構(gòu)中的齒輪嚙合時(shí)的沖擊力、三角皮帶的厚度不均勻、皮帶輪質(zhì)量偏心、滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承尺寸及形位誤差引起的振動(dòng)：往復(fù)部件運(yùn)動(dòng)的慣性力，如離和器控制箱體的正反轉(zhuǎn)引起的慣性力振動(dòng)等等。車(chē)刀裝夾不當(dāng)引起的振動(dòng)，如車(chē)刀刀尖高度不合適、刀頭伸出長(zhǎng)度不符合要求等。車(chē)刀角度刃磨不當(dāng)引起的振動(dòng)。車(chē)刀裝夾不當(dāng)與車(chē)刀刃磨方面引起的振動(dòng)做需要采取的避免措施，從容減輕振動(dòng)，提高工件表面質(zhì)量及加工效率。

四、消振措施

由上面的分析可知，系統(tǒng)是否發(fā)生切削顫振，既與切削過(guò)程有關(guān)，又與工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)，針對(duì)振動(dòng)的特點(diǎn)，特提出相應(yīng)的消振措施

1.在低頻振動(dòng)時(shí)，主要是由于Y方向的振動(dòng)引起了切削力的變化，便得F趨遠(yuǎn)>F趨近，而產(chǎn)生了振動(dòng)。因此，除了增加系統(tǒng)沿Y方向的剛度及阻尼外，設(shè)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(duì)位移的因素，通常都能減弱或消除振動(dòng)。主要可采取下面幾種措施：（1）車(chē)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(chē)削速度時(shí)應(yīng)避開(kāi)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)。通常采用雙前角消振刀，利用圖1前面的寬度f(wàn)來(lái)控制刀具和切削的接觸長(zhǎng)度，可顯著減小切削力，從而抑制振動(dòng)。低速時(shí)γ1>0，高速時(shí)γ0<0，γ1與γ2之間相差15°（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)。（5）刀具后角太大或刀刃過(guò)分鋒利，刀具切人工件時(shí)，容易產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)后角減小到2°～3°時(shí)，振動(dòng)有明顯的減弱。在刀具后面磨出一段負(fù)倒棱，如圖2所示，約0.1-0.3mm負(fù)倒棱，可以減小徑向切削力和抑制振動(dòng)。（6）刀架系統(tǒng)如果有負(fù)剛度是時(shí)，容易“啃人”工件產(chǎn)生振動(dòng)。因此，盡可能避免刀架系統(tǒng)的負(fù)剛度對(duì)車(chē)削產(chǎn)生的振動(dòng)。

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(lái)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(guò)程穩(wěn)定性。（3）在車(chē)削時(shí)采用彈性頂尖而不采用死頂尖，避免頂力過(guò)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(guò)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(lái)提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)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(zhuǎn)切削時(shí)，由于切削力的方向與系統(tǒng)最大剛度方向趨于一致會(huì)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.高頻振動(dòng)振動(dòng)頻率很高，產(chǎn)生的噪音尖銳刺耳，在加工件表面留下的痕跡細(xì)而密，振動(dòng)時(shí)只是刀具本身在振動(dòng)，而工件及機(jī)床部件卻很穩(wěn)定。其產(chǎn)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引起性能下降，消除或減小高頻振動(dòng)的措施主要有：（1）減小車(chē)刀懸伸長(zhǎng)度。（2）加強(qiáng)車(chē)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。通過(guò)這一系列針對(duì)車(chē)削過(guò)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(chē)削過(guò)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。

五、小結(jié)

通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，提出了控制車(chē)床振動(dòng)的一些具體措施，其可有效地消除車(chē)床振動(dòng)，從而提高工件加工質(zhì)量，延長(zhǎng)機(jī)床和刀具的使用壽命。

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（作者單位：沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司沈一車(chē)床廠）