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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(chǎn)生的振動是一種十分有害的現(xiàn)象。若加工中產(chǎn)生了振動，刀具與工件間將產(chǎn)生相對位移，會使加工表面產(chǎn)生振痕，嚴(yán)重影響零件的表面質(zhì)量和性能;工藝系統(tǒng)將持續(xù)承受動態(tài)交變載荷的作用，刀具極易磨損(甚至崩刃)，機(jī)床連接特性受到破壞，嚴(yán)重時甚至使切削加工無法繼續(xù)進(jìn)行;振動中產(chǎn)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(jī)床加工的生產(chǎn)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(xiàn)象的產(chǎn)生原因
以車削加工為例。在車床安裝時加設(shè)隔振地基、傳動系統(tǒng)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(xiàn)象)，其主要原因是加工過程中工件及刀架系統(tǒng)變形而產(chǎn)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(chǎn)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(jī)床尾座、刀架松動并使硬質(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(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)動是在切削力Fy作用下產(chǎn)生的，對振動系統(tǒng)而言，F(xiàn)y是外力。在振動過程中，當(dāng)工件與刀架作振出運(yùn)動時，切削力F振出與工件位移方向相同，對振動系統(tǒng)作正功，振動系統(tǒng)則從切削過程中吸收一部分能量W振出儲存在振動系統(tǒng)中;刀架的振入運(yùn)動則是在彈性恢復(fù)力F彈作用下產(chǎn)生的。當(dāng)?shù)都苷袢霑r，F(xiàn)振入與工件位移方向相反，振動系統(tǒng)對切削過程作功，即振動系統(tǒng)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(bǔ)充產(chǎn)生低頻的自激振動。此時，在力和位移的關(guān)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(chǎn)生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)有自激振動產(chǎn)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(guān)，也與工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能有關(guān)。因此控制自激振動的基本途徑是減少或消除激振力�？刂品椒ㄓ腥缦聨讉�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(chǎn)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(jìn)給量f增大，自振強(qiáng)度下降(如圖2a所示)。切削寬度blim與進(jìn)給量f的關(guān)系曲線見圖2b，可知在允許條件下應(yīng)盡量加大進(jìn)給量f。車削加工時切削深度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)生振動的趨勢。
a b
圖2
2.2 合理選擇刀具幾何參數(shù)
主要影響參數(shù)為主偏角f和前角g。如圖3所示，當(dāng)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(tǒng)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(fù)后角的消振棱，形成倒棱減振車刀(如圖6)。其特點(diǎn)是刀尖不易切入金屬，且后角小，有減振作用，切削時穩(wěn)定性好。
圖6 倒棱減振車刀
2.3 合理提高系統(tǒng)剛度
車削細(xì)長軸(L/D > 12)時，工件剛性差，易彎曲變形產(chǎn)生振動。此時應(yīng)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(dāng)用細(xì)長刀桿進(jìn)行孔加工時，應(yīng)采用中間導(dǎo)向支承來提高刀具的抗振性能。
在增加工藝系統(tǒng)剛度的同時，應(yīng)盡量減小構(gòu)件自身的重量，應(yīng)把“以最輕的質(zhì)量獲得最大的剛度”作為結(jié)構(gòu)設(shè)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(chǎn)生刀桿的彎曲高頻振動。
刀具高速自振時，宜提高轉(zhuǎn)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(jī)床主軸系統(tǒng)，要適當(dāng)減小軸承間隙，滾動軸承應(yīng)施加適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力以增加接觸剛度，提高機(jī)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(wěn)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(wěn)定性最差，而將車刀裝在a=60°的方位上，車削過程的穩(wěn)定性最好。
圖7 彈性刀桿車刀
3 結(jié)語
通過對車削加工過程中產(chǎn)生振動的原因和基本規(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。但完全消除振動現(xiàn)象，尚待進(jìn)一步深入研究振動機(jī)理、尋找產(chǎn)生原因及消除措施。
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