车削加工中的振动及防控措施

楚淑玲

(鞍山技师学院机械工程系，辽宁鞍山114020)

在车削加工中，由机床(包括夹具)、工件和刀具组成的工艺系统在各种力的作用下，除产生一定的弹性变形外，还可能使刀具相对于工件表面产生一个附加的周期性的相对运动，即振动．由于机床、工件、刀具的正确位置和相互运动关系受到破坏，给加工带来负面影响．振动使工件表面出现振纹，降低工件加工精度及表面质量;降低刀具的耐用度，甚至使刀具崩刃;使机床的零部件连接部位松动，传动件磨损加剧，降低机床的精度甚至造成灾难性损坏;限制了切削用量的进一步提高，影响了生产率;同时，振动产生的噪音危害了工人身心健康，污染了环境，等等．因此，对车削加工中的振动现象进行分析讨论，并采取相应措施以减少、消除振动显得尤为重要．

1 车削加工中的主要振动类型

按照车削加工中振动产生的原因将其分为自由振动、强迫振动和自激振动3种类型，分别占5%，30%，65%［1］．其中，自由振动是由偶然性的外界干扰(如加工材料硬度不均、加工余量有变化等)引起切削力的突然变化，工艺系统的平衡被破坏而引起的振动，一般去除外力冲击等因素后，因工艺系统存在阻尼可迅速衰减，对加工过程影响较小;而强迫振动和自激振动都是机械加工过程中常见的不能自然衰减而且危害较大的振动类型，因此，本文重点分析车削加工中产生的两种主要振动类型——强迫振动和自激振动．

1．1 强迫振动

在工艺系统内部或外部周期性干扰力持续作用下引起的振动称为强迫振动，其主要特点如下:(1)强迫振动的干扰力来自于非切削因素，一般与切削过程无关，振动本身不能改变干扰力．

(2)强迫振动的振幅在干扰力的频率与系统固有频率相同或接近时产生共振幅值最大，此外，影响因素还有干扰力的大小、工艺系统刚度及其阻尼系数．

(3)强迫振动的频率等于外界干扰力的频率，与系统自身固有频率无关．

(4)强迫振动为稳态的简谐振动时，干扰力对系统做的功等于系统阻尼消耗的功，为等幅振动．

1．2 自激振动

系统由振动运动本身引起切削力周期性变化，而该力又反作用于工艺系统加强和维持的振动，因振动与外界激励无关，故称为自激振动，主要特点如下［2］:

(1)自激振动不受外力的影响，只有刀具在进行切削时振动才会产生，如果停止切削，基于振动过程自身产生的内部干扰力及能量补充过程消失，振动中止．

(2)自激振动的频率取决于系统本身的参数．分为由工件的弯曲变形引起、振动频率接近于工件固有频率的低频振动(50～250 Hz)和由刀具的弯曲变形引起、振动频率接近于刀具固有频率的高频振动(500～5 000 Hz)．

(3)自激振动的产生决定于振动系统在同一振动周期内所获得的能量与阻尼消耗能量的对比情况，只有系统所获得的能量大于所消耗的能量，自激振动能够持续，且振动不因有阻尼存在而衰减．

(4)自激振动是一种正弦波振动，除了可用专业仪器测量波长与频率的方法判断外，显著的特征是工件被加工表面有振纹，低频振动时振纹似鱼鳞但大而平缓，高频振动振纹细而密似起皱的丝绸．

(5)自激振动产生噪音，低频振动时噪音低沉似蛙鸣，高频振动时噪音尖锐刺耳似哨音．

2 车削加工中振动产生的原因

2．1 强迫振动产生的原因

强迫振动来自于系统内部或外部非切削因素的干扰力，如下所述:

(1))车床回转零件的离心惯性力．机床工作时，高速旋转的主轴、皮带轮、联轴节和工件等存在微量或少数相对比较严重的质量偏心，由离心力作用引起强迫振动．

(2)车床运动传递机构的缺陷．如变速操纵机构中的齿轮的制造、安装误差，带传动中平皮带的接头、三角皮带的厚薄或长短不一致，滑动轴承和滚动轴承尺寸及形位误差等都会在运动传递过程中引起强迫振动．

(3)车床往复运动部件换向时的惯性冲击．如离和器控制箱体瞬时改变机床的回转方向，惯性力造成强迫振动．

(4)车削形状不规则的零件．加工多边形或带有键槽等断续切削工件表面时，刀具和工件常常产生冲击，交变的切削力引起强迫振动．

(5)地基振动．邻近的磨床、压力机、冲床等设备或火车、汽车等经过时引起的振动强度足够大，通过不稳定的地基引起车床一起振动．

2．2 自激振动产生的原因［3］

低频振动时通常工件系统和刀架系统都在振动，二者相对位置发生周期性变化，这一变化又引起切削过程中切削力的规律变化．在工件振出过程中，切削力与工件位移方向相同，对振动系统做正功，即振动系统从切削过程中获取能量;工件振入时，切削力与工件位移方向相反，对振动系统做负功，即振动系统要消耗能量．在每一振动周期中，当切削力对振动系统所做的正功大于对振动系统所做的负功，加工系统处于不稳定状态，产生持续的自激振动．在此过程中，影响切削力周期性变化的因素如下:

(1)切屑与刀具前刀面之间的摩擦力．摩擦力具有负摩擦特性，即从某一临界速度起，随切削速度的增加而下降，使切屑与刀具前刀面之间的摩擦力即径向切削分力的大小发生变化，最终使切削力发生变化．

(2)前一次切削加工留在工件表面上的振纹引起切削厚度的变化．如钻孔时钻头细而长、钻头后角太大或左右切削刃不对称导致钻削时振动使孔不圆，再次扩孔时引起切削力的变化．

(3)切削层金属内部的硬度不均匀使切削力发生变化．

(4)切削过程中刀具实际前角的不时改变引起切削力周期性的变化．

(5)另外，刀具的安装刚性差引起刀杆的振动及工件刚性差导致工件表面出现波纹或锥度等．

高频振动是由加工过程中车刀的变形所产生的，不随车削速度而改变，主要是由于刀具后刀面与工件之间摩擦增大所引起的．

3 车削加工中振动的主要防控措施

3．1 减少或消除强迫振动的方法和措施

(1)减少干扰力．对诸如电动机、带轮和卡盘等高速回转的零部件，要进行平衡试验(静平衡和动平衡)，避免离心惯性力形成冲击;同时，提高轴承、齿轮啮合及带传动等传动装置的稳定性，如提高变速操纵机构齿轮的制造精度，采用少接头、无接头、长短一致的传动皮带等可减少振动．

(2)提高工艺系统的刚性及阻尼．提高机床、工件及刀具的刚度及从结构设计上增加阻尼提高系统的抗振性，如缩短主轴前端悬伸长度，刮研部件接触面、提高接触刚度等达到减少振动的效果．

(3)改变运动参数或工艺系统的结构，使干扰力的频率远离固有频率．比如采取适当的主轴变速或改变刀具的转数，调整床鞍中小滑板镶条间隙，使工艺系统的固有频率发生变化或干扰力的频率发生变化，避免共振现象发生．

(4)维护机床精度．如避免因加工中切削力过大或撞车导致轴弯曲及齿轮塑性变形，保证其刚性，以减少高速旋转时产生振动．

(5)隔离振源．如在机床基础四周设防振沟，或将车床安置在防振地基上，设置弹簧或橡皮垫等吸收振源能量加以消除．

(6)采用减振器和阻尼器．

3．2 减少或消除自激振动的方法和措施

通过上述分析，针对性地从切削过程及工艺系统的抗振性等方面提出以下有效措施［4］:3．2．1 合理选择切削用量

(1)车削时，一般在临界速度(v=30～70m/min)范围内，振幅最大，因此应在高速或低速范围内进行切削，不易产生自激振动．

(2)切削深度与振幅成正比关系，进给量与振幅成反比关系，因此，在加工表面粗糙度允许的情况下，合理加大进给量，减少切削深度，可取得较好的消除自激振动的效果并保证必要的生产率．3．2．2 合理选择车刀的几何参数

(1)适当增大刀具前角．前角增大使切削力、切屑变形及切屑与前刀面摩擦的减小，减少切削振动，提高工件表面质量．但因前角变大降低了刀头强度，常在刀尖处磨出刀棱，以提高刀具的耐用度．

(2)适当增大刀具主、副偏角．主偏角增大可以减少切削力沿径向分力及实际切削宽度和重叠系数，副偏角增大，因刀刃与工件的接触面减小可以减少摩擦力，均使切削平稳，减少振动．

(3)适当钝化刀具后角．后角小，可以减少径向分力，避免扎刀现象，切削稳定性好．但刀具后角过小与工件之间因强烈磨擦也易引起振动．一般在刀具主后面上磨出一个很窄的0°值的倒棱，起阻尼减振作用，有效抑制切削中的低频振动．

(4)冲击负荷较大的断续切削，应取较大负值的刃倾角，以保护刀尖，提高切削平稳性．但过大的负刃倾角会使径向切削力显著增加，易产生振动，此时可配合采用较大的前角．3．2．3 提高工件系统的抗振性

(1)用三爪或四爪卡盘夹持工件时要保证主轴回转中心与工件回转中心一致．车削表面的不连续或不均匀会产生周期性变化的切削力，引起振动．

(2)用三爪跟刀架或中心架辅助支承加工细长轴．增加系统径向的刚度，防止工件弯曲变形及工件与刀具径向的相对位移，有效减少振动．

(3)采用弹性顶尖，增加切削过程的稳定性．当工件受热伸长时顶尖可以自由伸缩，避免顶力过大使工件弯曲变形引起振动．

(4)改善工件材料的可加工性及减少工件装夹时悬伸长度等．

3．2．4 提高刀具系统的抗振性 增大刀杆截面，减小刀具悬伸长度，装夹刀具时垫刀片应平整、厚度一致，紧固时加压在刀杆上的力要均匀，刀杆与工件轴线垂直，及时更换后刀面磨损过大的刀具．此外，使用具有消振作用的消振器和消振刀具等，均能提高刀具系统抗振性能．

另外，刀具材料对切削加工中的振动也会产生一定的影响，应尽量选用锋利的刀片以减少切削力．非涂层刀片比涂层刀片锋利，即使是涂层刀片，物理涂层也比化学涂层刃口锋利．因此，综合考虑后，应尽量选用非涂层或物理涂层的钴基硬质合金刀片．

4 结束语

振动是机械加工工艺领域一个重要的研究内容．在实际生产中通过观察、分析、总结，针对不同的振动类型及产生原因，积极、有效地加以防控，明显减少了振动现象的产生，保证了工件的加工精度，提高了生产率及机床、刀具的使用寿命，但机械加工过程中振动的产生非常复杂，完全消除振动现象，尚需更深入对振动机理、产生原因及消振措施进行研究．

［1］张文树，菅志敏．机械加工中振动的影响和防治［J］．重工与起重技术，2012(3):20．

［2］曹新民．车削过程振动的产生原因及消除措施［J］．装备制造技术，2011(7):131－133．

［3］张文东，刘哲，穆宏兵．车削加工中振动产生原因及消除措施［J］．机械研究与应用，2002(6):21－22．

［4］陈浩．车削中的自激振动与消振措施［J］．黑龙江科技信息，2008(9):17．