车削加工中振动产生原因及消除措施

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  1 振动的类型
  一般来讲,在机械加工中产生的振动都具有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。在消除机床回转组件(如电机、工件、旋转轴等)和传动系统(如皮带轮、滚动轴承、液压传动系统的压力脉冲等)的振动后,车削加工中的振动主要是不随车削速度变化的自激振动,主要是车削过程中工件系统的弯曲振动(其频率接近工件的固有频率的低频振动)和车刀的变形产生的弯曲振动(其振动频率接近车刀的固有频率的高频振动)。
  2 振动原因分析
  在车床安装时加设隔振地基、传动系统无缺陷以及切削过程中无冲击存在的情况下,车削振动的主要类型是不随车削速度变化而变化的自激振动,其主要原因是加工过程中工件及刀架系统变形而产生的低频振动以及因车刀的变形而产生的高频振动(其频率接近车刀的固有频率)。这类振动常常使机床尾座、刀架松动并使硬质合金刀片碎裂,且在工件切削表面留下较细密的痕迹。车削中的低频振动通常是工件、刀架都在振动,它们时而相离(振出),时而趨近(振入),产生大小相等、方向相反的作用力与反作用力(即切削力Fy和弹性恢复力F弹)。刀架的振出运动是在切削力Fy作用下产生的,对振动系统而言,Fy是外力。在振动过程中,当工件与刀架作振出运动时,切削力F振出与工件位移方向相同,对振动系统做正功,振动系统则从切削过程中吸收一部分能量W振出储存在振动系统中;刀架的振入运动则是在弹性恢复力F弹作用下产生的。当刀架振入时,F振入与工件位移方向相反,振动系统对切削过程做功,即振动系统要消耗能量W振入。由于切削力周期性变化,使得W振出>W振入或F振出>F振入,从而使工件或刀具获得了能量补充产生低频的自激振动。此时,在力和位移的关系图中,振出过程曲线处在振入过程曲线的上部。而高频振动产生的原因是在某速度区段内,刀具后刀面与切屑之间的摩擦,使切削力Fy随切削速度V的增加而减小,即具有下降特性,造成F振出>F振入,故加工系统有自激振动产生。
  3 消振措施
  由上面的分析可知,系统是否发生切削颤振,既与切削过程有关,又与工艺系统的结构刚度有关,针对振动的特点,特提出如下相应的消振措施。
  1)在低频振动时,主要是由于Y方向的振动引起切削力的变化,使得F趋远>F趋近,而产生了振动。因此,除了增加系统沿Y方向的刚度及阻力外,设法减少切削分力Fy及任何阻止工件与刀具沿Y方向的相对位移的因素,通常都能减弱或消除振动。主要可采取下面几种措施。
  车削时,一般当v=30~70 m/min速度范围内,容易产生振动,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,在高速或低速范围进行切削,自振极不易产生。
  应尽量避免宽而薄的切屑的切削,否则极易产生振动。在许可的情况下(如机床有足够的刚度,足够的电机功率,工件表面粗糙度参考值要求较低时等),适当增大进给量和减小切削深度也有助于抑制振动。
  适当增大刀具前角γ可减小Fy力,从而减弱振动。但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,不致产生强烈的振动。通常采用双前角消振刀。当切削深度和进给量不变时,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。
  刀具后角太大或刀刃过分锋利,刀具切入工件时,容易产生振动。当后角减小到2°~3°时,振动有明显的减弱。
  刀架系统如果有负刚度时,容易“啃人”工件产生振动。因此,尽可能避免刀架系统的负刚度对车削产生的振动。
  2)高频振动振动频率很高,产生的噪音尖锐刺耳,在加工件表面留下的痕迹细而密,振动时只是刀具本身在振动,而工件及机床部件却很稳定。其产生的主要原因是由于后刀面磨损较大,刀具后面与工件之间摩擦的下降性能引起的,消除或减小高频振动的措施主要有:①减小车刀悬伸长度;②加强车刀及刀杆的抗弯刚度;③及时更换后刀面磨损较大的刀具;④装刀具时,应保证刀杆与工件旋转中心垂直,紧固时要施力均匀,避免刀杆受力不平衡而弯曲产生振动;⑤使用减振装置。
  总之,通过上述一系列的措施的运用,可以明显减小车削过程中的振动,提高了工件表面质量和劳动生产率,延长了刀具的使用寿命,提高了实习教学的质量。
  参考文献
  [1]陈宇.车工技师技能[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2003.
  [2]彭德荫.车工工艺与技能训练[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2001.
  (作者单位:江苏省扬中中等专业学校)
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