车削加工中振动产生原因及消除措施

车削加工中振动产生原因及消除措施

张小燕王保强洪玉亭

南京理工大学工程训练中心江苏南京210094

摘要：工作人员在进行车削加工时不难发现会导致一定的振动，这种振动使正常的加工系统受到影响，影响正常的工作甚至加工产品的外表，因为振动系统受损后导致外观模型变样。一旦发生这种情况，还会导致整个车削加工加床和刀片的受损，从而大大降低工作效率，影响工作人员的工作情绪。如果降低一定的噪音，则可以提升工作效率，所以掌握车削加工中导致产生振动的原因十分重要。

关键词：车削加工；振动；原因

引言

在进行车削加工过程中，导致振动的现象有很多，文章主要针对产生原因，根据不同振动现象提出了相应的改善建议和改进措施。希望能够对车削加工提供一定的帮助，大大减少车削加工过程中所产的噪音和振动，从而提高加工效率，减轻工作人员的烦躁情绪，使加工人员能够更好地投入到工作中。

1振动的类型

在机械加工中产生的振动，按产生的原因来分类，都具有自由振动、受迫振动和自激振动，与机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的动态特性有关。自由振动是当振动系统的平衡被破坏，由弹性力来维持系统的振动。是切削力的突然变化或其它外力冲击引起的。可快速衰减，对车床加工影响非常小，可忽略不计。受迫振动产生的原因是由系统外部或内部周期变化的激振力（也叫振源）的作用下而产生的振动，共振是受迫振动中的一个特例。此振动主要由以下几方面原因产生高速回转存在不不衡，例如卡盘和工件、主轴、电动机转子、带轮等。就是因为零件的不平衡而产生激振力F（也叫离心惯性力），车床传动存在误差，车床传动当中的齿轮组，由于制造误差、装配误差产生了周期变化的激振力；液压传动中油液脉动、轴承滚动体尺寸差、皮带接缝等因素。自激振动是在没有外激励作用的情况下由系统自身激发所产生的一种振动，特点是一种不衰减的振动过程本身能引起周期性变化的力，此力可从非交变特性的能源中周期性地获得能量的补充，以维持这个振动。主要是车削过程中工件系统的弯曲振动（低频振动）和车刀的变形产生的弯曲振动（高频振动）。低频振动的主要特征是通常发出的噪音比较低沉，振动频率低，只有50～300Hz，切削工件表面留下的痕迹深而宽，振动剧烈，能将机床部件振动，硬质合金刀片振裂。高频振动的主要特征是通常发出的噪音很高刺耳，振动频率高，有500～5000Hz，切削工件表面留下的痕迹细而密，只刀具在振动，机床部件和工件很平稳。

2产生振动的原因

2.1低频振动是工件系统和刀架系统都在振动

它们一会隔远，一会靠近，在这过程中产生大小相等方向相反的作用和反作用力。当工件远离刀具时，切削力F与工件位移方向相同，所做的功为正值，系统获得输入能量E（+），当工件靠近刀具时，切削力F与工件位移方向相反，所做的功为负值，系统消耗能量E（-）。在车削过程中，由于各种因素的影响都可能引起切削力周期性的变化，并使切削力F忽远忽近，系统获得的能量E（+）或E（-），即在每一振动周期中，切削力对工件（或刀具）所做的正功总是大于它对工件（或刀具）所做的负功，从而使工件（或刀具）获得能量补充产生自激振动。

2.2后刀面与切屑之间的摩擦问题

高频振动产生的原因是在某速度区段内，刀具的后刀面与切屑之间发生磨擦产生，使切削力Fy随切削速度V的增加而减小，造成切削力F振出大于切削力F振入。使F切出大于F切入的情况有以下几个因素：第一，切削与刀具相对运动产生的摩擦力。在机械系统中，具有负摩擦特性的系统容易激发切削振动。在加工韧性钢材时径向切削分力F开始随切削速度的增加而增大，自某一速度开始，随切削速度的增加而下降。据切削原理可知，径向切削分力Fv主要取决于切削与刀具相对运动产生的摩擦力，即切削与刀具前刀面的摩擦力。摩擦力具有随摩擦速度的增加而下降的特性，即负摩擦特性。第二，再生切削时因工件在前一转时振动留下的痕迹引起切削厚度周期性的变化，从而影响切削力的周期变化。一般说，后转（后次）切削的振纹相对于前转（前次）切削的振纹总不同步，它们在相位上总有一个差值φ，在一个振动周期中，对振纹曲线Yn=Ycosωt，Yn（t）在相位上滞后于前次的Yn-1（t）即0φπ的情况，可以看出，在振出的半周期中的平均切削厚度大于振人的半周期中的平均切削厚度，于是振出时的切削力所做的功大于振人时切削力所做的负功，系统就会有能量输人，振动就有可能得以维持。于是Yn比Yn-1超前φ的情况，则正好和滞后时的情况相反。第三，振动时，刀尖相对运动的轨迹是一个形状和位置都不十分稳定的，封闭的近似椭圆。这种情况在车削螺纹或用宽刃刀（刃宽小于螺距）车削方牙螺纹的外圆时易产生，这时后一转的切削与前一转切削表面完全没有重叠。出现“乱牙”现象。因椭圆轨迹随相位差变化而变化，从而引起切削面周期性变化，最终引起切削力周期性的变化。第四，刀具在切入和退出工件时所遇到的金属硬化程度不同，从而使切削力在变化。刀具在振动过程中实际几何角度周期性改变也会引起切削力的周期性变化。

3相应的消振措施

由上面的分析可知，系统是否发生切削振动，既与切削过程有关，又与工艺系统的结构刚度有关。低频振动主要是由于Y方向的振动引起了切削力的变化，便得切削力F忽远忽近，而产生了振动。因此，除了增加系统沿Y方向的刚度外，设法减少切削分力Fy，阻止工件与刀具沿Y方向的相对位移，通常都能减弱或消除振动。主要可采取下面几种措施[1]：

3.1合理选择切削用量

车削时，进给量f增大，自振强度下降。切削宽度blim越宽，进给量f越高。在条件允许下应加大进给量f。切削深度ap与切削宽度b的关系为b=ap/sinf（f为主偏角），即切削深度ap越大，切削宽度b越大，越会产生振动。因此选择车削速度时应避开出现切削力随速度下降的中速区（v=30～70m／min）在高速或低速范围进行切削，自振不易产生。

3.2改进切削工艺

在许可的情况下，选择有足够刚度、足够电机功率的机床。宽而薄的切屑的切削，极易产生振动，应尽量避免。纵走刀切削时，切削越深，进给量越大，主偏角越小，切削面就越宽越薄，越容易产生振动。通常采取的措施是减小背吃刀量，增大进给量和减小切削深度。切削力的方向与系统最大刚度方向趋于一致会提高系统的稳定性，合理安排主切削力的方向，能减小振动。

3.3合理选择并安装刀具（几何角度）

在切削速度较高的范围内，前角对振动的影响将减弱，所以高速下采用负前角切削，不会产生强烈的振动。在相同切削速度v时，前角g增大，切削力减小，振幅也减小。当增大刀具前角γ可减小Fy力，从而减小振动。当切削深度和进给量不变时[2]，随着主偏角Kγ增大，切削分力Fy减少。因此，适当增大刀具主偏角，可以消除或减小振动。通常采用消振双前角刀如图4，利用第1前面的宽度f来控制刀具和切屑的接触长度，减小切削力，从而减小振动。第一前角可正可负，低速时第一前角﹥0，高速时第一前角﹤0，第一前角与第二前角之间相差15°。

结论：

简而言之，车削加工是指在加工过程中各个部件之间摩擦产生的一种额外摩擦。车削加工过程中所产生的噪音有可能激化操作员的负面情绪，为了杜绝振动的发生几率，工作人员要尽可能减少在车削加工过程中的进刀数量，虽然这种情况大大减少了噪音，但同时也大大降低了工作效率。本文主要对车削加工中振动产生的原因和消除措施进行相关研究，希望对提高车削加工效率有更好的帮助[3]。

参考文献：

[1]李世杰.车削加工中振动的原因与消振措施[J].中国新技术新产品，2018（16）.

[2]曹新民.车削过程振动的产生原因及消除措施[J].装备制造技术，2015（07）.

[3]张智，刘成颖，刘辛军，等.基于特征频率自动识别的机床振动分析[J].组合机床与自动化加工技术，2017（09）.