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金屬切削加工中的振動(dòng)分析及控制途徑
金屬切削加工中產(chǎn)生的振動(dòng)是一種十分有害的現(xiàn)象。若加工中產(chǎn)生了振動(dòng)，刀具與工件間將產(chǎn)生相對(duì)位移，會(huì)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(dòng)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(shí)甚至使切削加工無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行;振動(dòng)中產(chǎn)生的噪音還將危害操作者的身體健康。為減小振動(dòng)，有時(shí)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(dòng)原因并掌握控制振動(dòng)的途徑是很有必要的。
1 振動(dòng)現(xiàn)象的產(chǎn)生原因
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)以及因車刀的變形而產(chǎn)生的高頻振動(dòng)(其頻率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，振動(dòng)系統(tǒng)則從切削過(guò)程中吸收一部分能量W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(dòng)。此時(shí)，在力和位移的關(guān)系圖中，振出過(guò)程曲線處在振入過(guò)程曲線的上部(如圖1 所示)。
圖1
而高頻振動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生。
2 控制或減小振動(dòng)的途徑
自激振動(dòng)與切削過(guò)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(dòng)的基本途徑是減少或消除激振力。控制方法有如下幾個(gè)方面：
2.1 合理選擇切削用量
車削加工在速度V=20~60m/min時(shí)容易產(chǎn)生自振，高于或低于此范圍則振動(dòng)減弱。因此，在精密加工時(shí)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(jiàn)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(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)。
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(shí)振幅最小，此時(shí)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(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)以減小切削力，可取得很好的減振效果。
a b
圖3 主偏角對(duì)振動(dòng)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(shí)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(shí)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(zhǎng)軸(L/D > 12)時(shí)，工件剛性差，易彎曲變形產(chǎn)生振動(dòng)。此時(shí)應(yīng)在采用彈性頂尖及輔助支承(中心架或跟刀架)來(lái)提高工件抗振性能的同時(shí)，用冷卻液冷卻以減小工件的熱膨脹變形;當(dāng)用細(xì)長(zhǎng)刀桿進(jìn)行孔加工時(shí)，應(yīng)采用中間導(dǎo)向支承來(lái)提高刀具的抗振性能。
在增加工藝系統(tǒng)剛度的同時(shí)，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(jì)的一個(gè)重要原則。
減小刀具懸伸長(zhǎng)度。一般情況下刀具伸出長(zhǎng)度不宜超過(guò)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(jiàn)圖7)，將不易產(chǎn)生刀桿的彎曲高頻振動(dòng)。
刀具高速自振時(shí)，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(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)，要適當(dāng)減小軸承間隙，滾動(dòng)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(duì)位置。在車床上安裝車刀的方位對(duì)提高車削加工過(guò)程的穩(wěn)定性、避免自激振動(dòng)具有很大的影響。試驗(yàn)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(guò)程的穩(wěn)定性最好。
圖7 彈性刀桿車刀
3 結(jié)語(yǔ)
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。
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