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金属切削加工中的振动分析及控制途径

金属切削加工中产生的振动是一种十分有害的现象。若加工中产生了振动，刀具与工件间将产生相对位移，会使加工表面产生振痕，严重影响零件的表面质量和性能；工艺系统将持续承受动态交变载荷的作用，刀具极易磨损(甚至崩刃)，机床连接特性受到破坏，严重时甚至使切削加工无法继续进行；振动中产生的噪音还将危害操作者的身体健康。为减小振动，有时不得不降低切削用量，使机床加工的生产效率降低。因此，分析金属切削加工中的振动原因并掌握控制振动的途径是很有必要的。

1 振动现象的产生原因

以车削加工为例。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(即振颤现象)，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(其频率接近工件的固有频率)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(工件振动较大)，它们时而相离(振出)，时而趋近(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F_y和弹性恢复力F_弹)。刀架的振出运动是在切削力F_y作用下产生的，对振动系统而言，F_y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，对振动系统作正功，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作功，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(如图1 所示)。

图1

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F_y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。

2 控制或减小振动的途径

自激振动与切削过程本身有关，也与工艺系统的结构性能有关。因此控制自激振动的基本途径是减少或消除激振力。控制方法有如下几个方面：
2.1 合理选择切削用量

车削加工在速度V=20~60m/min时容易产生自振，高于或低于此范围则振动减弱。因此，在精密加工时宜采用低速切削，一般加工宜采用高速切削。
进给量f增大，自振强度下降(如图2a所示)。切削宽度b_lim与进给量f的关系曲线见图2b，可知在允许条件下应尽量加大进给量f。车削加工时切削深度ap与切削宽度b的关系为b=ap/sinf(f为主偏角)，即ap越大，切削宽度b越大，越有产生振动的趋势。


a	b
图2

a	b
图3 主偏角对振动的影响
图4 前角的影响	图5 双前角消振刀

图6 倒棱减振车刀	图7 弹性刀杆车刀

2.2 合理选择刀具几何参数

主要影响参数为主偏角f和前角g。如图3所示，当f=90°时振幅最小，此时切削力在y方向上最小、x方向上最大。由于一般工艺系统的刚度在x方向比y方向上好得多，因此不易起振。由图4可见，在相同切削速度V时随前角

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