机床振动原因分析及控制方法

机床振动原因分析及控制方法

张彬

(中核四0四有限公司第五分公司甘肃省嘉峪关市735100)

摘要：机床在工作过程中常会出现一种不利因素—振动，它不仅影响工件的表面质量和加工精度，还会影响刀具的耐用度和机床寿命，恶化工作环境，影响工人健康。

关键词:振动原因控制方法

1、机床振动的影响及原因分析

1.1机床方面

在金属的切削加工过程中，工件的几何形状精度、表面粗糙度、尺寸精度都出现超差等质量问题，这些问题都与机床的振动有关系，而引起机床振动有时是由机床本身存在的故障造成的。下面以车床为例进行说明车床哪些原因会产生振动及产生的影响：

1.1.1工件几何形状精度超差

(1)工件出现圆度超差主要原因有主轴轴颈、轴承内滚道或箱体孔圆度超差或者轴承磨损、主轴轴承间隙过大等。

(2)工件圆柱度超差主要原因为车床导轨磨损引起主轴轴线与床身导轨不平行或导轨水平方向直线度超差。

1.1.2工件表面粗糙度达不到要求

(1)精车后，表面有螺旋状振纹产生的原因有：主轴齿轮精度降低，啮合不良；主轴与主轴轴承的间隙过大，主轴轴颈的圆度超差，轴承制造精度不够。

(2)精车后，表面出现乱纹产生的原因可能是主轴轴承磨损，也可能是游隙过大。

(3)精车端面平面度超差由于主轴轴向窜动量超差或者床鞍横向导轨对主轴轴线不垂直或平行度超差造成的。

(4)切断困难切断时发生振动，原因主要是主轴径向间隙过大，刀架滑板间隙过大，横向进给丝杠螺母间隙未消除，切断刀装夹时伸出过长，三爪自定心卡盘与主轴配合定位面间隙过大。

(5)车削螺纹时螺纹表面有波纹原因是主轴轴向游隙过大，传动链中的挂轮间隙过大，溜板箱的长丝杠轴向游隙过大，开合螺母滑道间隙过大，跟刀架太松或太紧等。

1.2刀具方面

刀具的材料不合适，刚性差、切削刃角度选择不合适是引起振动的主要原因。切削时由于刃口高度的误差或因断续切削引起的冲击，容易产生振动。出现振动会降低刀具的使用寿命：影响了刀具的正常切削条件，加快了刀具磨损，还可能引起刀具的崩裂，机床、夹具连接部分松动，缩短刀具及机床、夹具的使用寿命。

1.3工件方面

工件的外形结构不规则，没有好的基准面，不方便装夹，工件夹不紧，容易在加工时产生松动，随着切削力的变化而发生相应振动。工件内部组织不均匀，有些铸造的毛坯局部有气孔、沙眼等缺陷，晶粒粗大或者掺有杂质，切削时软硬不均匀，切削力不稳定，易产生振动，有时会造成打刀，工件的加工质量很难控制。被切削的工件表面有断续表面或表面余量不匀，硬度不一致，都会在加工中产生振动。

1.4地脚螺栓松动及地基变化引起的机床振动

车床与地面基础的连接主要是靠地脚螺栓，若地脚螺栓出现松动，引起车床安装不正确就会产生强烈的振动。

2、机床振动的类型及特点

机床加工过程中产生的振动，根据其产生的原因，大体可以分为自由振动、强迫振动和自激振动三大类。

2.1自由振动

自由振动是当系统所受的外界干扰力去除后系统本身的衰减振动。由于工艺系统受一些偶然因素的作用，系统的平衡被破坏，只靠其弹性恢复力来维持的振动属于自由振动。振动的频率就是系统的固有频率。由于工艺系统的阻尼作用，这类振动会很快衰减。

2.1.1切削加工中产生自由振动的原因

自由振动产生主要是由切削力突然变化或其它外界原因引起的振动。

2.1.2自由振动的特点

这种振动会在外界干扰力去除后迅速自行衰减，对加工过程影响较小。

2.2强迫振动

强迫振动是由外界周期性的干扰力所支持的不衰减振动。切削加工中产生的强迫振动，其原因可从机床、刀具和工件三方面去分析。机床中某些零件的制造精度不高，会使机床产生不均匀运动而引起振动。在刀具方面，多刃、多齿刀具切削时，由于刃口高度的误差，容易产生振动。被切削的工件表面上有断续表面或表面余量不均、硬度不一等，都会在加工中产生振动。当然，在工艺系统外部也有许多原因造成切削加工中的振动。

2.3自激振动

机械加工过程中，由振动过程本身引起某种切削力的周期性变化，又由这个周期性变化的切削力反过来加强和维持振动，使振动系统补充了由阻尼作用消耗的能量，这种类型的振动被称为自激振动。切削过程中产生的自激振动是频率较高的强烈振动，通常又称为颤振，常常是影响加工表面质量和限制机床生产率提高的主要障碍。

2.3.1自激振动的原理

金属切削过程中自激振动的原理如图11－36所示。它具有二个基本部分：切削过程产生交变力（ΔP），激励工艺系统，工艺系统产生振动位移（ΔY），再反馈给切削过程，维持振动的能量来源于机床的能源。

2.3.2自激振动的特点

1）自激振动是一种不衰减的振动。

2）自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率，也就是说，由振动系统本身的参数所决定，这是与强迫振动的显著差别。

3）自激振动能否产生以及振幅的大小，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。

3、减少和控制机床振动的方法

以细长轴的车削为例：在普通车床上切削加工细长轴零件是金属切削加工操作中的一个技术难题,细长轴的直径越小,长度越长,车削加工的难度就越大.这是由于细长轴的特点是刚性差,加工时工件极易弯曲和振动

3.1细长轴的装夹：

(1)、两顶尖间安装细长轴，但这种装夹方法没有安装定位误差，易产生振动。

(2)、一夹一顶装夹细长轴，一端利用软爪夹紧工件，另一端用后顶尖支持，这样工件可在自由状态下定位夹紧，定心精度高。

(3)、夹一拉装夹细长轴，采用这种方法装夹可使工件在车削过程中始终受到轴向拉力，同时由切削热产生的轴向伸长量还可用后尾座手轮调整。

3.2使用中心架支承车细长轴：

在车削细长轴时，可使用中心架来增加工件的刚性，降低振动。一般车削细长轴使用中心架的方法有：

3.2.1中心架直接支承在工件的中间

当工件可以分段车削时，中心架支承在工件的中间，这样支承使得长径比（L/D）值减小一半，而细长轴车削时的刚性可增加好几倍。但要注意的是，在工件装上中心架之前，必须在毛坯中部车出一段支承中心架支承爪的沟槽，这样做的目的是使表面粗糙度及圆柱度的误差变小，否则会影响工件的精度。车削时，中心架的支承爪与工件接触处应经常加润滑油，或在中心架支承爪与工件之间加一层砂布或研磨剂，进行研磨抱合。这样可使得支承爪与工件保持良好的接触或采用过渡套筒支承车细长轴。

3.2.2使用跟刀架支承车细长轴

跟刀架是固定在床鞍上的，有两爪和三爪的。如果使用两爪的跟刀架，跟刀架可以跟随车刀移动，从而抵消径向切削力，增加工件刚度，减少变形，提高细长轴的形状精度和减少表面粗糙度。从跟刀架的设计原理看，只需两个支承爪就可以了，因车刀给工件的切削抗力，使工件贴住在跟刀架的两个支承爪上。而实际操作中，工件本身有个向下的重力，所以工件不可避免的要发生弯曲，同时在车削时，工件往往会因离心力瞬时离开支承爪，接触支承爪而产生振动，因此，车细长轴时一个关键问题是采用三个爪的跟刀架，这样既可减少变形，又可防止振动。

3.3合理选择刀具的几何形状，一般如下：

(1)为减少细长轴的弯曲，要求径向切削力越小越好，而刀具的主偏角是影响径向切削力的主要因素。在不影响刀具强度的情况下，应尽量增大刀具的主偏角。

(2)为减少切削应力和切削热，应选用较大的前角。

(3)车刀前面应磨有一定的圆弧断屑槽，使切屑顺利卷曲折断。

(4)选用正刃倾角λ≈30º使切屑流向待加工表面。

(5)为减少径向切削力，切削刃应保持锋利，并有较小的刀尖圆弧和倒棱。

3.4切削用量的选择

一般粗车和精车选用不同的切削速度、进给量、切削深度都可以控制车床振动。

通过以上措施都可以控制车削细长轴出现的振动。

参考文献

[1]黄锡安.如何防止和消除车削中的振动.北京：机械工业出版社.2009.

[2]翁承恕.车工生产实习.北京:中国劳动出版社.1997.

[3]张道行.机修钳工职业技能鉴定教材.北京：中国劳动出版社.2001.