金屬切削加工中的振動分析及控制途徑

金屬切削加工中的振動分析及控制途徑

　　金屬切削加工中產生的振動是一種十分有害的現象。若加工中產生了振動，刀具與工件間將產生相對位移，會使加工表面產生振痕，嚴重影響零件的表面質量和性能;工藝系統將持續承受動態交變載荷的作用，刀具極易磨損(甚至崩刃)，機床連接特性受到破壞，嚴重時甚至使切削加工無法繼續進行;振動中產生的噪音還將危害操作者的身體健康。為減小振動，有時不得不降低切削用量，使機床加工的生產效率降低。因此，分析金屬切削加工中的振動原因并掌握控制振動的途徑是很有必要的。

　　1 振動現象的產生原因

　　以車削加工為例。在車床安裝時加設隔振地基、傳動系統無缺陷以及切削過程中無沖擊存在的情況下，車削振動的主要類型是不隨車削速度變化而變化的自激振動(即振顫現象)，其主要原因是加工過程中工件及刀架系統變形而產生的低頻振動(其頻率接近工件的固有頻率)以及因車刀的變形而產生的高頻振動(其頻率接近車刀的固有頻率)。這類振動常常使機床尾座、刀架松動并使硬質合金刀片碎裂，且在工件切削表面留下較細密的痕跡。車削中的低頻振動通常是工件、刀架都在振動(工件振動較大)，它們時而相離(振出)，時而趨近(振入)，產生大小相等、方向相反的作用力與反作用力(即切削力Fy和彈性恢復力F彈)。刀架的振出運動是在切削力Fy作用下產生的，對振動系統而言，Fy是外力。在振動過程中，當工件與刀架作振出運動時，切削力F振出與工件位移方向相同，對振動系統作正功，振動系統則從切削過程中吸收一部分能量W振出儲存在振動系統中;刀架的振入運動則是在彈性恢復力F彈作用下產生的。當刀架振入時，F振入與工件位移方向相反，振動系統對切削過程作功，即振動系統要消耗能量W振入。由于切削力周期性變化，使得W振出> W振入或F振出>F振入，從而使工件或刀具獲得了能量補充產生低頻的自激振動。此時，在力和位移的關系圖中，振出過程曲線處在振入過程曲線的上部(如圖1 所示)。

　　圖1

　　而高頻振動產生的原因是在某速度區段內，刀具后刀面與切屑之間的摩擦，使切削力Fy隨切削速度V的增加而減小，即具有下降特性，造成F振出>F振入，故加工系統有自激振動產生。

　　2 控制或減小振動的途徑

　　自激振動與切削過程本身有關，也與工藝系統的結構性能有關。因此控制自激振動的基本途徑是減少或消除激振力。控制方法有如下幾個方面：

　　2.1 合理選擇切削用量

　　車削加工在速度V=20~60m/min時容易產生自振，高于或低于此范圍則振動減弱。因此，在精密加工時宜采用低速切削，一般加工宜采用高速切削。

　　進給量f增大，自振強度下降(如圖2a所示)。切削寬度blim與進給量f的關系曲線見圖2b，可知在允許條件下應盡量加大進給量f。車削加工時切削深度ap與切削寬度b的關系為b=ap/sinf(f為主偏角)，即ap越大，切削寬度b越大，越有產生振動的趨勢。

　　a b

　　圖2

　　2.2 合理選擇刀具幾何參數

　　主要影響參數為主偏角f和前角g。如圖3所示，當f=90°時振幅最小，此時切削力在y方向上最小、x方向上最大。由于一般工藝系統的剛度在x方向比y方向上好得多，因此不易起振。由圖4可見，在相同切削速度V時隨前角g的增大，切削力減小，振幅也減小。因此通常采用雙前角消振刀(見圖5)以減小切削力，可取得很好的減振效果。

　　a b

　　圖3 主偏角對振動的影響

　　圖4 前角的影響

　　圖5 雙前角消振刀

　　減小后角有利于減振。一般后角取2°~3°為宜，必要時在后刀面上磨出帶負后角的消振棱，形成倒棱減振車刀(如圖6)。其特點是刀尖不易切入金屬，且后角小，有減振作用，切削時穩定性好。

　　圖6 倒棱減振車刀

　　2.3 合理提高系統剛度

　　車削細長軸(L/D > 12)時，工件剛性差，易彎曲變形產生振動。此時應在采用彈性頂尖及輔助支承(中心架或跟刀架)來提高工件抗振性能的同時，用冷卻液冷卻以減小工件的熱膨脹變形;當用細長刀桿進行孔加工時，應采用中間導向支承來提高刀具的抗振性能。

　　在增加工藝系統剛度的同時，應盡量減小構件自身的重量，應把“以最輕的質量獲得最大的剛度”作為結構設計的一個重要原則。

　　減小刀具懸伸長度。一般情況下刀具伸出長度不宜超過刀桿高度的兩倍。

　　使用消振器和消振刀具。如采用切向剛度較高的彈性刀桿(見圖7)，將不易產生刀桿的彎曲高頻振動。

　　刀具高速自振時，宜提高轉速和切削速度，以提高切削溫度，消除刀具后刀面摩擦力下降特性和由此引起的自振，但切削速度不宜高于1.33m/s(80m/min)。

　　對機床主軸系統，要適當減小軸承間隙，滾動軸承應施加適當的預應力以增加接觸剛度，提高機床的抗振性能。

　　合理安排刀具和工件的相對位置。在車床上安裝車刀的方位對提高車削加工過程的穩定性、避免自激振動具有很大的影響。試驗表明，將普通車床車刀安裝在水平面上其穩定性最差，而將車刀裝在a=60°的方位上，車削過程的穩定性最好。

　　圖7 彈性刀桿車刀

　　3 結語

　　通過對車削加工過程中產生振動的原因和基本規律采取相應的減振措施，可使切削加工中的振動現象明顯減小，大大提高工件表面質量及機床刀具的工藝能力。但完全消除振動現象，尚待進一步深入研究振動機理、尋找產生原因及消除措施。

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