数控车削中的自激振动分析与消振措施

数控车削中的自激振动分析与消振措施陈浩（常州冶金技师学院，江苏省常州市新冶路41-1号，213019）摘要：本文就数控车削过程中产生的振动及其对加工的影响进行了简单地描述，对数控车削过程中产生自激振动的因素及其特点，进行了描述和分析，并从几方面有针对性的对自激振动采取相应的消振措施，进行控制。关键字：自激振动；低频振动；高频振动；消振措施数控加工中，工艺系统如发生振动，则使工艺系统的正常运动方式受到干扰，从而破坏了机床、工件、刀具的正确关系，使加工表面出现振纹，严重地恶化了加工质量，降低了刀具耐用度和机床使用寿命，限制了生产率的提高。随着科学技术不断发展，对零件表面质量要求越来越高，振动往往成为提高产品质量的主要障碍。数控加工中的振动，有自由振动、受迫振动和自激振动三种类型。自由振动、受迫振动是比较容易消除的，只要把激起振动的基本原因找到，振动就可以去除。但自激振动是一个比较复杂和比较难以解决的问题。本文就针对数控车削过程中产生的自激振动的原因进行研讨和分析，并采取相应的减振、消振措施。1数控车削过程中的振动及其对加工的影响由机床、工件和刀具组成的工艺系统是一个弹性系统。工艺系统的振动对加工影响非常大。振动使加工表面产生波纹，严重恶化加工精度和加工表面质量。振动影响刀具的耐用度，甚至使刀头崩裂，从而使刀具不能充分利用。振动使机床的运动零部件加快磨损，连接部位松动，缩短机床的使用寿命。由于振动，使加工时的切削用量受到限制，尤其是加工刚性较差的细长轴和薄壁零件时，不得不较大幅度地降低和改变切削用量，采取必要的防振措施，从而降低了生产率。因此，加工过程中产生的振动，是一种极其有害的现象。弄清数控车削过程中产生振动的原因，采取相应的减振、消振措施，对保证零件的加工质量，提高劳动生产率和改善操作者的劳动条件，具有十分重要的意义。数控加工中的振动有自由振动、受迫振动和自激振动三种类型。在数控加工中，主要是自激振动。对于一台机床来说，自激振动是一个比较复杂和难解决的问题。因此，就自激振动对加工的影响进行分析和研讨，显得十分有必要。2数控车削过程中的自激振动分析在没有周期性外力作用的情况下由系统内部激发及反馈的相互作用而产生的稳定的周期性振动，称为自激振动。自激振动又称颤振。2.1自激振动的特点2.1.1自激振动是一种不衰减振动。2.1.2自激振动的频率等于或接近系统的固有频率。其频率和振幅都与外界干扰无关，而决定于系统自身参数。2.1.3自激振动的振幅大小，决定于每一振动周期内，系统所获得的能量与所消耗的能量的对比情况。如果系统所获得的能量大于所消耗的能量，则振幅将不断增大；反之，若系统所获得的能量小于所消耗的能量，则振幅将不断减小。2.1.4自激振动只能在特定的系统中产生，能产生自激振动的系统，简称为自振系统。2.1.5自激振动是在没有外界周期性振力的条件下产生的，自激振动的形成和持续是基于振动过程自身产生的激振和反馈作用，可以认为自激振动相当于由系统内部激振力而引起的强迫振动。2.2数控车削过程中的两类自激振动数控车削时的自激振动有低频振动和高频振动两类。前者主要是工件系统的弯曲振动，其频率接近于工件系统的固有频率；后者是数控车刀的弯曲振动，其频率接近于车刀的固有频率。2.2.1低频振动的主要外观特征：振动频率较低，振动时发出的噪声比较低沉；低频振动过程中，工件系统及刀架系统都在振动，但起主导作用的是工件系统的振动。低频振动比较剧烈，在工件的切削表面留下的振纹深而宽；振动比较剧烈，常用机床部件松开，并打坏硬质合金刀片。2.2.2高频振动的主要外观特征：振动频率高，振动时发出的噪声尖锐刺耳；在切削表面上留下的振动痕迹细而密；振动时只是刀具本身在振动，而工件及机床部件相对来说则很平静。3自激振动的控制及消振措施3.1合理选择切削用量在数控车削中，自激振动的产生与否，在很大程度上取决于切削用量选择的合适与否。3.1.1应当适当减小切削深度或增大进给量。当数控车削余量较大而机床功率或刚度不足时，合理的办法是增加走刀次数，以减少每次走刀的切削深度，并在加工表面粗糙度允许的情况下，适当增加进给量，以避免自激振动并保证必要的生产率。3.1.2尽量避免采用中等切削速度。在中等切削速度时，振幅较大，容易产生自激振动，数控车削时应采用较低或较高的切削速度。在允许的情况下，采用高速切削，不仅可以避免产生自激振动，而且可以获得好的表面粗糙度和高的生产率。3.2合理选择刀具的几何参数3.2.1主偏角和副偏角尽可能选大一些。主偏角影响各切削分力的大小比值和产生振动的可能性。加大主偏角，可使径向力减小，轴向力增大。当工艺系统刚度较差时，若把车刀的主偏角选择大点，可减少径向切削力，同时可减少实际切削宽度和重叠系数，对减震有很大的效果。增大副偏角可以减少刀刃与工件的接触面，减小摩擦力，有利于控制自激振动，使切削平稳。3.2.2采用大的正前角。增大前角将能减小切屑的变形，减少切削力，降低切削温度和动力消耗，减少切屑对前刀面的摩擦，提高刀具的耐用度，有利于抑制积屑瘤与磷刺的产生，减少切削振动，改善加工表面质量。但前角增大后，刀尖强度会下降。为了提高刀具的耐用度，可在刀尖部位磨出刀棱。高速切削时，前角的变化对振动影响不大，可利用第一前刀面来控制刀具于切削的接触长度来抑制振动。3.2.3适当减小刀具的后角。后角减小到20-30时对振动有一定的抑制作用。但后角太小，会使刀具后刀面与工件被加工表面之间的摩擦力增大，反而容易引起振动。一般采用在刀具主后面上磨出一个有负后角的倒棱的方法。磨出消振棱后，增加了刀具的挤压阻尼作用，使切削稳定，起到良好的消振作用。但这种车刀只能用来抑制切削中的低频振荡，如车刀系统发生高频振动，这种车刀反而会使振动加大。3.2.4减小刀尖圆弧半径。刀尖圆弧半径应取得小些，这样可减少切削力，不容易产生振动。在主偏角不变的情况下，增大刀尖圆弧半径，切削刃圆弧部分的长度将增大，从而使切屑变形增加。此外，刀尖圆弧半径越大，切削刃上的圆弧部分的平均主偏角越小。因此，为了防止振动，选较小的刀尖圆弧半径。3.3提高工艺系统的抗振性。在工艺系统中，工件系统往往是易于发生振动的薄弱环节。提高工艺系统的抗振性是控制和防止自激振动的重要措施之一。除提高机床系统的抗振性外，提高工件系统和刀具的抗振性，对控制和防止自激振动尤为重要。3.4提高刀具系统的抗振性。增大车刀截面、减少数控车刀装夹时的悬伸距离、提高车刀的刃磨质量、刃磨车刀的定位面等，均是提高刀具系统抗振性能的重要措施。此外，在数控车削外圆时，车刀刀尖应略高于主轴回转中心；数控车削内孔时，车刀刀尖应略低于主轴回转中心。3.5提高工艺系统薄弱环节的刚度。合理安排系统低刚度主轴位置，使小刚度主轴位于切削力和法向的夹角范围之外，对提高系统抗振性有良好的效果。如调整主轴系统的间隙，合理改变机床的结构，减小工件和刀具安装的悬伸长。3.6提高机床系统的抗振性。一般来说，对于使用中的机床，主要是了解其动态特性，再针对薄弱环节采取适当的措施。3.7采用减振装置。在采用上述各种措施后仍然不能收到满意的消振效果时，可考虑使用消振刀具和消振器。通过对数控车削加工过程中产生自激振动的原因和基本规律，分析并采取了相应的消振措施，可使数控车削加工中的振动现象明显减少，大大提高工件表面质量及机床刀具的工艺能力。但要完全消除振动现象，尚待进一步研究自激振动机理，寻找出产生原因和消除措施。参考文献：[1]毛志康.机械加工工艺学[M].北京：航空工业出版社，2006[2]唐云岐.车工工艺与技能训练[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2001[3]陆剑中.金属切削原理与刀具[M].北京：机械工业出版社，2005[4]沈建峰.数控车床编程与操作实训[M].北京：国防工业出版社，2005