剖析車削加工振動(dòng)與控制原理

1、剖析車削加工振動(dòng)與控制原理【摘要】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)。詳細(xì)分析了車削加工中振動(dòng)的主要類型及產(chǎn)生的原因、振動(dòng)的危害，并從刀具、夾具、切削工藝等方面提出了減小或消除振動(dòng)的措施。 【關(guān)鍵詞】車削低頻振動(dòng)；高頻振動(dòng)；消除措施 在車削過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，不僅干擾了正常的切削過程，嚴(yán)重影響了加工件的表面質(zhì)量，還會(huì)縮短機(jī)床及刀具使用壽命。由此產(chǎn)生的噪音甚至可能影響到操作者工作情緒，對(duì)正常工作的開展帶來一定負(fù)面影響；而為了減少振動(dòng)，往往不得不減少加工時(shí)的進(jìn)刀量，從而降低了生產(chǎn)率。本人通過在工作中對(duì)這一現(xiàn)象不斷觀察、分析、實(shí)踐、總結(jié)

2、，取得了一些效果，現(xiàn)提出一些看法供大家探討。 一、振動(dòng)的分類 一般來講，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，車削加工中的振動(dòng)主要是不隨車削速度變化的自激振動(dòng)，主要是車削過程中工件系統(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))和車刀的變形產(chǎn)生的彎曲振動(dòng)(其振動(dòng)頻率接近車刀的固有頻率的高頻振動(dòng))。 二、振動(dòng)原因 分析低頻振動(dòng)的振動(dòng)頻率較低，通常發(fā)出的噪音比較低沉，振動(dòng)較為劇烈，在加工表面留下的振動(dòng)痕跡深而寬。在低頻振

3、動(dòng)時(shí)通常工件系統(tǒng)和刀架系統(tǒng)都在振動(dòng)，它們時(shí)而趨遠(yuǎn)，時(shí)而趨近，產(chǎn)生大小相等方向相反的作用和反作用力。在振動(dòng)過程中，當(dāng)工件與刀具趨遠(yuǎn)時(shí)，切削力F趨遠(yuǎn)與工件位移方向相同，所做之功為正值，系統(tǒng)獲得輸入能量E(+)，當(dāng)工件趨近刀具時(shí)，切削力F趨近與工件位移方向相反，所做之功為負(fù)值，系統(tǒng)消耗能量E(-)，在車削過程中，由于各種因素的影響都可能引起切削力周期性的變化，并使F趨遠(yuǎn)F趨近，E(+)E(-)，即在每一振動(dòng)周期中，切削力對(duì)工件(或刀具)所做之正功總是大于它對(duì)工件(或刀具)所做之負(fù)功，從而使工件(或刀具)獲得能量補(bǔ)充產(chǎn)生自激振動(dòng)。 在車削過程中，影響切削力周期性地變化，并使F退出F切人的情況有以下幾個(gè)

4、因素： 2.1切削與刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力。在加工韌性鋼材時(shí)徑向切削分力F開始隨切削速度的增加而增大，自某一速度開始，隨切削速度的增加而下降。據(jù)切削原理可知，徑向切削分力Fv主要取決于切削與刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力，即切削與刀具前刀面的摩擦力。摩擦力具有隨摩擦速度的增加而下降的特性，即負(fù)摩擦特性。在機(jī)械系統(tǒng)中，具有負(fù)摩擦特性的系統(tǒng)容易激發(fā)切削振動(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。一般說，后轉(zhuǎn)(后次)切削的振紋相對(duì)于前轉(zhuǎn)(前次)切削的振紋總不同步，它們?cè)谙辔簧峡傆幸粋€(gè)差值，在一個(gè)振動(dòng)周期中，對(duì)振紋曲線Yn=Ycost，Yn(t

5、)在相位上滯后于前次的Yn-1(t)即0 2.3振動(dòng)時(shí)，刀尖相對(duì)運(yùn)動(dòng)的軌跡是一個(gè)形狀和位置都不十分穩(wěn)定的，封閉的近似橢圓。這種情況在車削螺紋或用寬刃刀(刃寬小于螺距)車削方牙螺紋的外圓時(shí)易產(chǎn)生，這時(shí)后一轉(zhuǎn)的切削與前一轉(zhuǎn)切削表面完全沒有重疊。因橢圓軌跡隨相位差變化而變化，從而引起切削面周期性變化，最終引起切削力周期性的變化。 2.4刀具在切人和退出工件時(shí)所遇到的金屬硬化程度不同，從而使切削力在變化。除此以外，振動(dòng)過程中刀具實(shí)際幾何角度周期性改變也會(huì)引起切削力的周期性變化。 三、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

6、應(yīng)的消振措施。 3.1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)車削時(shí)，一般當(dāng)v=3070mmin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

7、度也有助于抑制振動(dòng)。 (3)適當(dāng)增大刀具前角可減小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)10，高速時(shí)0 (4)當(dāng)切削深度和進(jìn)給量不變時(shí)，隨著主偏角K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23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01-03mm負(fù)倒棱，可以減小徑向切削力和抑制振動(dòng)。

8、 (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)車削產(chǎn)生的振動(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

9、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。 (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。 3.3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的下降性能引起的，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。 四、結(jié)束語(yǔ) 通過這一系列針對(duì)