控制磨削加工中的自激振动的有效途径

赵玉霞

（滁州技师学院 ，安徽 滁州 239000）

控制磨削加工中的自激振动的有效途径

赵玉霞

（滁州技师学院 ，安徽 滁州 239000）

切削加工中，工艺系统经常会产生振动，使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏，它不仅严重地恶化加工表面质量，缩短刀具和机床的工作寿命，降低生产效率。提高工艺系统的抗振性和探讨消除振动的措施等研究日益受到重视。

自激振动;磨削切削加工；有效途径

切削加工中，工艺系统经常会产生振动，使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏，它不仅严重地恶化加工表面质量，缩短刀具和机床的工作寿命，降低生产效率，而且还发出刺耳的噪音，影响工人的健康。随着科学技术和生产的不断发展，对加工零件的表面质量要求越来越高。因此，对加工中的机理、提高工艺系统的抗振性和探讨消除振动的措施等研究日益受到重视。金属切削加工中的振动主要有两种类型：强迫振动和自激振动，下面主要讨论自激振动产生的原因和控制自激振动的措施。

一、机械加工中的自激振动

自激振动是工艺系统没有外力作用而由自激力自激产生的振动。切削加工中经常出现的强烈振动，这种振动是振动过程本身引起切削力的周期性变化，这个周期变化的切削力反过来又加强和维持振动，使振动系统补充了有阻尼作用消耗的能量，这种类型的振动称自激振动。切削过程中产生的自激振动是频率较高的强烈振动，是影响加工表面质量及生产效率的主要原因。自激振动的形成是由于加工过程本身产生的激振和反馈作用，所以若停止切削过程，即使机床继续空运转，自激振动也随即消失。可以通过改变切削过程有影响的工艺参数来控制切削过程，从而限制自激振动的产生。

二、产生自激振动的学说

（一）负阻尼（负摩擦）激振原理

当切削韧性钢材时，径向切削分力FY开始随着切削速度的增加而增加，但当达到某一速度极限后，则又随着切削速度的增加而减少，实验证明，在切削分力—切削速度曲线下降区极易引起切削自振。由切削理论可知，径向切削分力FY的大小主要决定于切屑沿刀具前面相对滑动所产生的摩擦力。因此，切削分力的改变就意味着摩擦力的变化。摩擦力随摩擦速度的增加而下降的特性称为负阻尼特性。

（二）再生自激振动原理

在切削（或磨削）加工中，由于刀具（砂轮）的进给量一般不大，而刀具的负偏角又较小，当工件转过一周又开始切削下周时，刀刃必然有切过的上一圈表面接触，即产生重叠切削。如图为磨削加工示意图

在稳定的切削过程中，由于偶然的扰动（材料的硬疵点、加工余量不均匀或其他原因的冲击），工艺系统会产生自由振动，并在被加工表面上留下相应的振纹。当工件转至下一转时由于切削刀重叠部分的振纹使切削厚度发生变化，从而引起切削力的周期改变，产生再生自激振动。尤其是砂轮宽度大于工件的每转进给量时，产生的自激现象更为严重。由切削过程情况分析可知，切削中再生自激振动产生的必要条件是后一转切削的表面Y0滞后于前一转的切削表面Y。为了减少再生自激振动，可以改变加工中某项工艺参数，使Y与Y0同相或超前一个相位角。

（三）振型藕合自激振动原理

当刃磨（铣刀，铰刀）外圆表面时，砂轮并不发生重叠切削。从理论上讲排除了再生自激振动的可能。但实际加工中，当磨削深度达到一定时，仍然会产生自激振动，这种原因是由于振型耦合产生的。为了排除再生自振的影响，必须在特定的加工条件下，使刀具总是切削到“新鲜”的金属。如果系统在切削中一旦产生了角频率为ω的振动，则工件同时在两个方向以不同的振幅和相位进行振动，其合成运动为一椭圆。假定刀具假定刀具按一定的方向切削，在前半周，切削力的方向与运动方向相反，在后半周切削力方向与运动方向相同。因此，在前半周期中系统消耗能量，在后半周期中将能量输入系统。由于在后半周期切削深度较大，故后半周期切削力大于前半周期，在一个振动周期内，输入系统的能量大于系统消耗的能量，多余的能量足以抵偿阻尼损耗，振动将得以维持。

三、控制自激振动的途径

从以上分析可知，切削过程产生自激振动于切削过程本身有关，又与工艺系统的结构性能有关，所以消除振动的措施也是多方面。但是最主要的问题是减少内激振动。

（一）合理的选择切削用量

1、切削速度的选择 一般当速度在30-70m/min范围内容易产生振动相应的振幅值较大。当切削速度低于或高于这个范围，振动处于减弱状态，在许多情况下采用高速切削是合理的，它既可避免自激振动，又可保证生产效率和较小的表面粗糙度。

2、增大进给量可使振幅减少 在加工表面粗糙度允许的情况下可选取较大的进给量以避免自激振动。

3、根据切削深度αP与切削宽度b的关系，当αP增大，切削宽度也增加。振动也加强。故切削宽度对振动影响很大，选择切削深度αP时一定要考虑切削宽度b对振动的影响。

（二）增大工艺系统的刚度和阻尼 注意加强前后顶尖的刚度，做好顶尖与工件顶尖孔及顶尖与套筒，套筒与尾架的配合。工件刚度不足时采用中心架。在保证砂轮架轴承温度升高限度内尽量减少轴承间隙，以提高轴承的油膜刚度。

（三）减小工件速度，增大砂轮速度 也就是提高砂轮与工件的速比，有利于减少自激振动当要注意砂轮速度的提高会引起强迫振动。

（四）砂轮太硬或太软都不利于消振，要选择适当的砂轮硬度 同时砂轮修整得锐利些可以减少自激振动。

（五）采用减振装置

当使用上述各种措施仍然不能达到消振因此的目的时，可考虑使用液压阻尼器进行减振。就是在原有的工艺系统上附加上一个子系统，其中包含有质量、弹簧和阻尼，并合理选择这些参数，就可以改变原工艺系统的动态特性，使之对于激振力的响应大为降低起到减振和消振的效果。如图所示

它是利用液体流动阻力作用消除振动。阻尼越大，减振的效果越好。这种减振装置具有结构轻巧、效果显著等优点。对于消除强迫振动和自激振动都有很好的效果，已受到广泛的重视和应用。

[1]吴岳昆主编.金属切削原理与刀具[M].北京：机械工业出版社,1978.

[2]赵志修主编.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社,1984.

[3]顾维邦主编.金属切削机床[M].北京：机械工业出版社,1984.

[4]陈海魁主编.机械基础[M].北京：中国劳动社会保障出版社,2001.

TH161+.1 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A

1671-5993（2011）02-0060-02

2011-04-30

赵玉霞(1965-)，女，安徽淮北人，滁州技师学院副教授。