车削过程中的振动分析与减振措施

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摘要：车削加工过程中，工艺系统由于受到各种力的作用，以及弹性系统的力学特性影响，工件各刀具之间常常发生强烈的相对振动，从而使工艺系统的各种成形过程受到干扰和破坏。它不仅使加工表面产生波纹，严重恶化加工精度和表面质量，而且缩短机床和刀具的使用寿命，降低切削效率。采取相应的措施，对改善切削条件，提高工件表面加工质量和加工精度，具有重要意义。

关键词：车削加工 振动分析

在进行车削加工教学时，我和学生会时常共同面对一个难题――振动。当同学经过认真准备，仔细加工的工件在最终完成时变得无法达到精度，幸勤的劳动毁于一旦，对学生在技能考试中的通过率无疑会产生重大影响。这也是我们提高教学质量，让学生能在未来实际生产中应用的重要技术，必须重视的一个重要问题。

针对这个问题，一个零件最终车削加工的好坏，主要是取决于它的尺寸精度，形位精度及表面质量三个方面。而振动则会给以上三个方面带来直接影响。所以我们认为必须从分析振动原因，找出振动源着手，然后采用相应的措施来消除和减小振动。

下面我们一起来分析车削加工过程中的力及其影响：

由此可见，车削加工中的振动有自由振动、强迫振动和自激振动三种。而三种情况中，占主导地位的是自激振动与强迫振动，自由振动所占的比重较小。所以我们应该着重分析强迫振动和自激振动在车削加工中的影响。

1、车削中的强迫振动

强迫振动从观察的结果看是由外界连续的激振力引起，并且在车削过程中始终保持。我们分析下加工中都存在哪些激振力，这样就可以找到强迫振动产生的具体原因：

（1）不平衡离心力、惯性

当车床运作时，一些相对旋转部件，比如：电机旋转，皮带轮，皮带、主轴及各种齿轮，它都存在微量的偏心，少数部件还可能相对严重，在高速旋转时所产生的离心力就使机床振动。另外，机床夹具及被加工工件也存在质量偏心的因素，如：毛坯工件的不圆整，鸡心夹头的轻重（双顶针加工时），细长件的弯曲变形，这都是产生激振力的振源。我们从平时教学中观察发现：仅车床主轴、床头箱齿轮及三卡盘三样因回转体不平衡而引起的激振力就高达近百牛，这样大的激振力如果作用到零件上将势必破坏加工精度和表面质量。如果这时工件也存在一些不平衡，或刚性不足等自振现象，这时两者就会产生强烈的“共振”并且会愈演愈烈。

（2）传动机构的缺陷因素

我们还发现车床上的零部件，尤其是传动中的旋转零件，由于制造或装配不良，就会在转动是时产生周期性的干扰力，而成为强迫振动的振源。例如：交换齿轮的齿形误差，日久变形，齿轴弯曲、松动，三角皮带接头不匀，松紧不一产生弹击现象，轴磨损误差，电动机不稳等一系列不易被人觉察的细节问题都会影响传动，都将对车床的稳定性，和加工精度带来不利，而且上述情况还在同时发生。所以我们必须在教学中告戒学生，不能对机床施加过大的载荷。避免对机床部件的损害，尽量减少人为损坏因素。

2、车削中的自激振动

由于在加工中我们还会发现，在没有外力的作用下，由系统内部激发及反馈的相互作用而产生较稳定的周期性振动。稳定的“颤振”，这就是自激振动。其主要特点就是不受外力的影响由车床本身运作过程产生。如果车削停止，内部激振力也随消失。因此，我们把车削过程中所出现的振动主要视作为自激振动。从振动原理和减振角度来看，车床的工作条件不理想，这是因为车床上的工件及卡盘、主轴、尾架的刚度较低，切削面积又较大的缘故。特别在加工细长轴时或卡盘夹持加工大直径工件时，由于工件增大了切削力矩，会对机床的平稳性造成不利影响。一般情况下，车削颤振时，主要振动源可能是刀具刀架；也可能是工件系；还有可能是“主轴―工件―尾架”系统。不论是那一种情况，最终将使刀具和工件不停地产生相对振动。车削时自激振动有低频和高频振动两类：前者主要由于是工件的弯曲振动，它的频率接近于工件系统的固有频率，噪声比较低沉，在工件上留下深而宽的振纹，一般常使机床尾架、刀架、拖板松动，并打坏车刀，使工件移位，造成尺寸精度及形状位置改变，直至工件报废。后者是车刀的弯曲振动，其频率接近车刀的固有频率。它发出的噪声尖锐刺耳，加工表面留下的振纹细而密。这只是刀具本身及刀架部位振动，而工件机床部件相对平稳。它一般与刀具刀杆刚性、装夹方法及刀具的锋利程度、刀具的几何角度等方面关系密切。

综合以上两方面来看，车削过程如：宽刃车刀车外圆时或横向走刀切槽时，经常看到工件表面的振纹，就是再生颤振的结果。既然是车床、环境、工件、装夹、刀具方面都会产生振源，那么就必要设法改变它。

3、防止和减振措施

既然知道振动对车削加工有害，那就应找出具体的振源，设法在切削过程中，有针对性地采取防止和消除的措施。

（1）减少激振力，主要是消除或降低不平衡引起的离心力及断续车削时产生的冲击力。

（2）提高工艺系统刚性及增加阻尼，这是防止振动的积极措施，有些部件可偿试刚性软接触，合理调整间隙，消除工件不平衡。针对加工余量不均匀，表面不连续等削冲击力，可以配以阻尼器及减振装置消振，

（3）合理选择切削用量，避免给机床和刀具过大负载。

（4）合理使用刀具――选择较大的较大的前角，主副偏角，较小的后角，让刀具伸长尽量短些，甚至使用弹性刀杆。

（5）其它辅助措施如：改变装夹工件的方法，改变进刀方向，使用中心架、跟刀架等方法来达到防止消振的目的。

综上所述，车削加工振动是由各种各样的复杂因素综合产生，我们必须掌握它的振动原因，积极采取相应的对策，变被动为主动，努力消除客观上的不利因素，保证机械加工中的加工效率和加工质量。

参考文献：

[1]机械振动机械工程手册.机械工业出版社，1978.

[2]陆剑中、周志明.金属切削原理与刀具.机械工业出版社，2011.

[3]胡海岩.机械振动基础. 北京航天航空大学出版杜。2005.