剖析车削加工振动与控制原理

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【摘要】在机械加工中产生的振动都具有受迫振动和自激振动，与机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的动态特性有关。详细分析了车削加工中振动的主要类型及产生的原因、振动的危害，并从刀具、夹具、切削工艺等方面提出了减小或消除振动的措施。

【关键词】车削低频振动；高频振动；消除措施

在车削过程中产生的振动，不仅干扰了正常的切削过程，严重影响了加工件的表面质量，还会缩短机床及刀具使用寿命。由此产生的噪音甚至可能影响到操作者工作情绪，对正常工作的开展带来一定负面影响；而为了减少振动，往往不得不减少加工时的进刀量，从而降低了生产率。本人通过在工作中对这一现象不断观察、分析、实践、总结，取得了一些效果，现提出一些看法供大家探讨。

一、振动的分类

一般来讲，在机械加工中产生的振动都具有受迫振动和自激振动，与机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的动态特性有关。在消除机床回转组件(如电机、工件、旋转轴等)和传动系统(如皮带轮、滚动轴承、液压传动系统的压力脉冲等)的振动后，车削加工中的振动主要是不随车削速度变化的自激振动，主要是车削过程中工件系统的弯曲振动(其频率接近工件的固有频率的低频振动)和车刀的变形产生的弯曲振动(其振动频率接近车刀的固有频率的高频振动)。

二、振动原因

分析低频振动的振动频率较低，通常发出的噪音比较低沉，振动较为剧烈，在加工表面留下的振动痕迹深而宽。在低频振动时通常工件系统和刀架系统都在振动，它们时而趋远，时而趋近，产生大小相等方向相反的作用和反作用力。在振动过程中，当工件与刀具趋远时，切削力F趋远与工件位移方向相同，所做之功为正值，系统获得输入能量E(+)，当工件趋近刀具时，切削力F趋近与工件位移方向相反，所做之功为负值，系统消耗能量E(-)，在车削过程中，由于各种因素的影响都可能引起切削力周期性的变化，并使F趋远>F趋近，E(+)>E(-)，即在每一振动周期中，切削力对工件(或刀具)所做之正功总是大于它对工件(或刀具)所做之负功，从而使工件(或刀具)获得能量补充产生自激振动。

在车削过程中，影响切削力周期性地变化，并使F退出>F切人的情况有以下几个因素：

2.1切削与刀具相对运动产生的摩擦力。在加工韧性钢材时径向切削分力F开始随切削速度的增加而增大，自某一速度开始，随切削速度的增加而下降。据切削原理可知，径向切削分力Fv主要取决于切削与刀具相对运动产生的摩擦力，即切削与刀具前刀面的摩擦力。摩擦力具有随摩擦速度的增加而下降的特性，即负摩擦特性。在机械系统中，具有负摩擦特性的系统容易激发切削振动。

2.2再生切削时因工件在前一转时振动留下的痕迹引起切削厚度周期性的变化，从而影响切削力的周期变化。一般说，后转(后次)切削的振纹相对于前转(前次)切削的振纹总不同步，它们在相位上总有一个差值φ，在一个振动周期中，对振纹曲线Yn=Ycosωt，Yn(t)在相位上滞后于前次的Yn-1(t)即0<φ<π的情况，可以看出，在振出的半周期中的平均切削厚度大于振人的半周期中的平均切削厚度，于是振出时的切削力所做的功大于振人时切削力所做的负功，系统就会有能量输人，振动就有可能得以维持。于是Yn比Yn-1超前φ的情况，则正好和滞后时的情况相反。

2.3振动时，刀尖相对运动的轨迹是一个形状和位置都不十分稳定的，封闭的近似椭圆。这种情况在车削螺纹或用宽刃刀(刃宽小于螺距)车削方牙螺纹的外圆时易产生，这时后一转的切削与前一转切削表面完全没有重叠。因椭圆轨迹随相位差变化而变化，从而引起切削面周期性变化，最终引起切削力周期性的变化。

2.4刀具在切人和退出工件时所遇到的金属硬化程度不同，从而使切削力在变化。除此以外，振动过程中刀具实际几何角度周期性改变也会引起切削力的周期性变化。

三、消振措施

由上面的分析可知，系统是否发生切削颤振，既与切削过程有关，又与工艺系统的结构刚度有关，针对振动的特点，特提出相应的消振措施。

3.1在低频振动时，主要是由于Y方向的振动引起了切削力的变化，便得F趋远>F趋近，而产生了振动。因此，除了增加系统沿Y方向的刚度及阻尼外，设法减少切削分力Fy及任何阻止工件与刀具沿Y方向的相对位移的因素，通常都能减弱或消除振动。主要可采取下面几种措施：

(1)车削时，一般当v=30～70m／min速度范围内，容易产生振动，因此选择车削速度时应避开出现切削力随速度下降的中速区，在高速或低速范围进行切削，自振极不易产生。

(2)应尽量避免宽而薄的切屑的切削，否则极易产生振动。在许可的情况下(如机床有足够的刚度，足够的电机功率，工件表面粗糙度参考值要求较低时等)，适当增大进给量和减小切削深度也有助于抑制振动。

(3)适当增大刀具前角γ可减小Fy力，从而减弱振动。但在切削速度较高的范围内，前角对振动的影响将减弱，所以高速下采用负前角切削，不致产生强烈的振动。通常采用双前角消振刀，利用图1前面的宽度f来控制刀具和切削的接触长度，可显著减小切削力，从而抑制振动。低速时γ1>0，高速时γ0<0，γ1与γ2之间相差15°

(4)当切削深度和进给量不变时，随着主偏角Kγ增大，切削分力Fy减少。因此，适当增大刀具主偏角，可以消除或减小振动。(5)刀具后角太大或刀刃过分锋利，刀具切人工件时，容易产生振动。当后角减小到2°～3°时，振动有明显的减弱。在刀具后面磨出一段负倒棱，如图2所示，约0．1-0．3mm负倒棱，可以减小径向切削力和抑制振动。

(6)刀架系统如果有负刚度是时，容易“啃人”工件产生振动。因此，尽可能避免刀架系统的负刚度对车削产生的振动。

3.2工件系统和刀架系统的刚度不是产生低频振动的主要原因，可采取下面的措施来消除或减小振动：

(1)用三爪或四爪夹紧工件时尽可能使工件回转中心和主轴回转中心的同轴度误差最小，避免工件倾斜而断续切削或不均匀切削造成切削力的周期性变化所产生的振动。

(2)加工细长轴时用跟刀架、中心架可以增加切削过程稳定性。

(3)在车削时采用弹性顶尖而不采用死顶尖，避免顶力过大造成工件弯曲或顶力大小起不到支承作用使工件摆动，并注意尾座套筒悬伸不能过长。

(4)定期检查中拖板和大拖板、小刀架与中拖板之间燕尾导轨的接触情况，调整好斜镶条间隙，避免刀架移动时出现爬行。另外，可以用刮研联结表面，增强联结刚度等方法来提高结构系统的抗振性。

(5)合理安排主切削力的方向，比如在切断和工件反转切削时，由于切削力的方向与系统最大刚度方向趋于一致会提高系统的稳定性。

3.3高频振动振动频率很高，产生的噪音尖锐刺耳，在加工件表面留下的痕迹细而密，振动时只是刀具本身在振动，而工件及机床部件却很稳定。其产生的主要原因是由于后刀面磨损较大，刀具后面与工件之间摩擦的下降性能引起的，消除或减小高频振动的措施主要有：

(1)减小车刀悬伸长度。

(2)加强车刀及刀杆的抗弯刚度。

(3)及时更换后刀面磨损较大的刀具。

(4)装刀具时，应保证刀杆与工件旋转中心垂直，紧固时要施力均匀，避免刀杆受力不平衡而弯曲产生振动。

(5)使用减振装置。

四、结束语

通过这一系列针对车削过程中产生的不同振动，在分析产生振动的原因后采取响应的措施，可明显减小车削过程中的振动，提高了工件表面质量和劳动生产率，延长了刀具的使用寿命。

参考文献：

［1］陈宇．车工技师、技能［M］．北京：中国劳动和社会保障出版社．2003．

［2］彭德荫．车工工艺与技能训练［M］．北京：中国劳动社会保障出版社，2001．