車削加工中的振動(dòng)及控制

1、<p>　　車削加工中的振動(dòng)與控制</p><p>　　專業(yè)：機(jī)械制造及自動(dòng)化</p><p><b>　　班級(jí)：0</b></p><p><b>　　姓名： </b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在機(jī)械加工

2、中產(chǎn)生中的振動(dòng)都具有受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)，這與機(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。  </p><p><b>　　【關(guān)鍵詞】</b></p><p>　　車削低頻振動(dòng);高頻振動(dòng);消除措施  

3、60;   </p><p><b>　　【前言】</b></p><p>　　振蕩 是自然界中某種物理狀態(tài)隨時(shí)間發(fā)生的反復(fù)變化，或是物體隨時(shí)間而作的反復(fù)運(yùn)動(dòng)。物質(zhì)的宏觀運(yùn)動(dòng)形式是機(jī)械運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　振動(dòng) 是一種特殊形式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，指機(jī)器或結(jié)構(gòu)物在其靜平衡位置附近隨時(shí)間作往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)。</p>

4、<p>　　機(jī)械振動(dòng)會(huì)使運(yùn)行的機(jī)器產(chǎn)生巨大的交變載荷，這將導(dǎo)致機(jī)器使用壽命的降低甚至釀成災(zāi)難性的破壞事故，如大橋因共振而毀壞，煙囪因風(fēng)振而倒塌，飛機(jī)因顫振而墜落等等。若對(duì)造成事故的原因不能做出正確的分析，設(shè)計(jì)人員往往為了安全而加大結(jié)構(gòu)的斷面尺寸，增加了機(jī)器重量并浪費(fèi)了材料。為了解決這些振動(dòng)問(wèn)題，要么需提高機(jī)器本身的制造精度，要么需設(shè)置專門的裝置或引入復(fù)雜的控制系統(tǒng)，增加了產(chǎn)品成本。此外，由于機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲日益形成令人厭惡

5、的公害，不僅危及機(jī)器操作人員的身心健康，還影響環(huán)境安全和社會(huì)穩(wěn)定。根據(jù)生物工程的研究，人體各器官對(duì)于1～20赫茲的低頻振動(dòng)（次聲）特別感到不適，而高頻振動(dòng)同樣會(huì)使人感到煩躁、厭倦和疲勞。由此可見(jiàn)，研究機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題對(duì)機(jī)器的使用和設(shè)計(jì)都具有極其重要的實(shí)際意義。在車削過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)，不僅干擾了正常的切削過(guò)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(kāi)展帶來(lái)一定負(fù)面影響；

6、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(guò)在實(shí)習(xí)生產(chǎn)操作中對(duì)這一現(xiàn)象不斷觀察、分析、實(shí)踐、總結(jié)，取得了一些效果，</p><p><b>　　一、振動(dòng)的分類</b></p><p>　　一般來(lái)講，在機(jī)械加工中產(chǎn)生的振動(dòng)都具有受迫振動(dòng)（系統(tǒng)在外激勵(lì)力作用下產(chǎn)生的振動(dòng)）和自激振動(dòng)（系統(tǒng)在輸入和輸出之間具有反饋特性并有能源補(bǔ)充而產(chǎn)生的振動(dòng)），與

7、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(guò)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))。       

8、  </p><p><b>　　二、振動(dòng)原因分析</b></p><p>　　以車削加工為例。在車床安裝時(shí)加設(shè)隔振地基、傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)缺陷以及切削過(guò)程中無(wú)沖擊存在的情況下，車削振動(dòng)的主要類型是不隨車削速度變化而變化的自激振動(dòng)(即振顫現(xiàn)象)，其主要原因是加工過(guò)程中工件及刀架系統(tǒng)變形而產(chǎn)生的低頻振動(dòng)(其頻率接近工件的固有頻率)以及車刀的變形而產(chǎn)生的高頻振動(dòng)(其頻率

9、接近車刀的固有頻率)。這類振動(dòng)常常使機(jī)床尾座、刀架松動(dòng)并使硬質(zhì)合金刀片碎裂，且在工件切削表面留下較細(xì)密的痕跡。車削中的低頻振動(dòng)通常是工件、刀架都在振動(dòng)(工件振動(dòng)較大)，它們時(shí)而相離(振出)，時(shí)而趨近(振入)，產(chǎn)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(fù)力F彈)。刀架的振出運(yùn)動(dòng)是在切削力Fy作用下產(chǎn)生的，對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)而言，F(xiàn)y是外力。在振動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)工件與刀架作振出運(yùn)動(dòng)時(shí)，切削力F振出與工件位移方向相同，對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)作正功

10、，振動(dòng)系統(tǒng)則從切削過(guò)程中吸收一部分能量E振出儲(chǔ)存在振動(dòng)系統(tǒng)中；刀架的振入運(yùn)動(dòng)則是在彈性恢復(fù)力F彈作用下產(chǎn)生的。當(dāng)?shù)都苷袢霑r(shí)，F(xiàn)振入與工件位移方向相反，振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)切削過(guò)程作功，即振動(dòng)系統(tǒng)要消耗能量E振入。由于切削力周期性變化，使得E振出> E振入或F振出>F振入，從而使工件或刀具獲</p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　而高頻振動(dòng)產(chǎn)生

11、的原因是在某速度區(qū)段內(nèi)，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(tǒng)有自激振動(dòng)產(chǎn)生。</p><p>　　在車削過(guò)程中，影響切削力周期性地變化，并使F切出>F切入的情況有以下幾個(gè)因素：         </p><p>　　2.1

12、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(kāi)始隨切削速度的增加而增大，自某一速度開(kāi)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)。         &l

13、t;/p><p>　　2.2 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)車削梯形螺紋的外圓時(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(méi)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。         </p&g

14、t;<p>　　2.3 刀具在切入和退出工件時(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(guò)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。         </p><p><b>　　三、消振措施</b></p><p>　　3.1由上面的分析可

15、知，系統(tǒng)是否發(fā)生切削顫振，既與切削過(guò)程有關(guān)，又與工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)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方向的剛度及阻力外，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)。針對(duì)振動(dòng)的特點(diǎn)，特提出相應(yīng)的消振措施：   </p><p>　　(1)車削時(shí)，一般當(dāng)

16、v=30～70m／min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(kāi)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。</p><p>　　進(jìn)給量f增大，自振強(qiáng)度下降(如圖2所示)。切削寬度blim與進(jìn)給量f的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖3)，可知在允許條件下應(yīng)盡量加大進(jìn)給量f。車削加工時(shí)切削深度ap與切削寬度b的關(guān)系為b=ap/sinf(f為主偏角)，即ap越大，切削寬度b越大，越有產(chǎn)生振動(dòng)的趨勢(shì)

17、。 </p><p>　　圖2 圖3</p><p>　　(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)給量和減小切削深度也有助于抑制振動(dòng)。</p><p>　　(3)適當(dāng)增大刀具前角γ可減小Fy力，從而減弱振動(dòng)

18、。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)。由圖4可見(jiàn)，在相同切削速度V時(shí)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(jiàn)圖5)。利用圖1前面的寬度f(wàn)來(lái)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)γ1>0，高速時(shí)γ0<0，γ1與γ2之間相差15°。 </p><p><b>　　圖4 前角

19、的影響</b></p><p><b>　　圖5 雙前角消振刀</b></p><p>　　(4)當(dāng)切削深度和進(jìn)給量不變時(shí)，隨著主偏角Kγ增大，切削分力Fy減少。因此，適當(dāng)增大刀具主偏角，會(huì)增加副切削刃與已加工表面的接觸長(zhǎng)度，能減小表面粗糙度值，提高刀具耐用度，可以消除或減小振動(dòng)。</p><p>　　(5)刀具后角太大或刀刃過(guò)分鋒

20、利，刀具切入工件時(shí)，容易產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)后角減小到2°～3°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6所示，約0．1-0．3mm負(fù)倒棱，可以減小徑向切削力和抑制振動(dòng)。其特點(diǎn)是刀尖不易切入金屬，且后角小，有減振作用，切削時(shí)穩(wěn)定性好。 </p><p><b>　　圖6 倒棱減振車刀</b></p><p>　　(6)刀架系統(tǒng)如果有負(fù)剛度是時(shí)，

21、容易“啃入”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)。</p><p>　　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(lái)消除或減小振動(dòng)：</p><p>　　(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)。</p><

22、;p>　　(2)加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)用跟刀架、中心架可以增加切削過(guò)程穩(wěn)定性。</p><p>　　(3)在車削時(shí)采用彈性頂尖而不采用死頂尖，避免頂力過(guò)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(guò)長(zhǎng)。</p><p>　　(4)定期檢查中拖板和大拖板、小刀架與中拖板之間燕尾導(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)

23、剛度等方法來(lái)提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的抗振性。</p><p>　　(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。</p><p>　　3.3高頻振動(dòng)振動(dòng)頻率很高，產(chǎn)生的噪音尖銳刺耳，車削時(shí)，由于工藝系統(tǒng)的振動(dòng)，在加工件表面留下的痕跡細(xì)而密，簡(jiǎn)稱（振紋）。可以從以下幾個(gè)方面加以防止：</p><p>　　

24、(1)機(jī)床方面 調(diào)整主軸間隙，提高軸承精度；調(diào)整中﹑小滑板鑲條，使間隙小于0.04mm，并保證移動(dòng)平穩(wěn)﹑輕便。選用功率適宜的車床，增強(qiáng)車床安裝的穩(wěn)定性。</p><p>　　(2)刀具方面 這是產(chǎn)生振紋的主要原因。主要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。要合理選擇刀具幾何參數(shù)，經(jīng)常保持切削刃光潔﹑鋒利。增加刀柄的截面積，減小車刀懸伸長(zhǎng)度。加強(qiáng)車刀及刀桿的抗彎剛度。及時(shí)更換后刀面磨損較大

25、的刀具。 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)。</p><p>　　(3)工件方面 增加工件的安裝剛性，例如將裝夾工件懸伸長(zhǎng)度盡量縮短，只要滿足加工需要即可。</p><p>　　(4)切削用量方面 選用較小的切削深度和進(jìn)給量。</p><p>　　(5)使用減振裝置。</p>&l

26、t;p><b>　　四、結(jié)束語(yǔ) </b></p><p>　　通過(guò)對(duì)車削加工過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)的原因和基本規(guī)律采取相應(yīng)的減振措施，可使切削加工中的振動(dòng)現(xiàn)象明顯減小，大大提高工件表面質(zhì)量及機(jī)床刀具的工藝能力。但完全消除振動(dòng)現(xiàn)象，尚待進(jìn)一步深入研究振動(dòng)機(jī)理、尋找產(chǎn)生原因及消除措施。通過(guò)這一系列針對(duì)車削過(guò)程中產(chǎn)生的不同振動(dòng)，在分析產(chǎn)生振動(dòng)的原因后采取響應(yīng)的措施，可明顯減小車削過(guò)程中的振動(dòng)，提高

27、了工件表面質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，延長(zhǎng)了機(jī)床和刀具的使用壽命，為勞動(dòng)者提供更好的工作環(huán)境。 </p><p><b>　　五、參考文獻(xiàn)  </b></p><p>　?。?］陳宇．車工技師、技能［M］．北京：中國(guó)勞動(dòng)和社會(huì)保障出版社．2003． </p><p>　?。?］彭德蔭．車工工藝與技能訓(xùn)練［M］．北京：中國(guó)勞動(dòng)