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鏜削加工中的自激振動與消振

2015-8-17 來源（yuán）：數控機床市場網作者：濟寧市技師學院劉春英

摘要（yào）：在鏜（táng）削加工過程中會產生自激（jī）振動，當振動量超過允許的範（fàn）圍時（shí）振動會加劇（jù），影響機床的工作性能（néng），使機床的零部件產生附加動載荷，減少零件的壽命。通過加深（shēn）對自（zì）激振動有關理論的分析，可以合理改善刀具鏜杆結構，設計帶有撞擊塊的刀杆，起到消振器的作用，穩（wěn）定切削區加工零（líng）件，能夠有效避免鏜削加工（gōng）中的有害自激振動。

關鍵詞：鏜削加工自激振動不穩定區撞擊塊衰減速度

自激振動又（yòu）稱為欠阻尼振動，是由（yóu）振動本身運動所產生的阻尼力非但不阻（zǔ）止（zhǐ）運動，反而將進一步加劇這種振動，在沒（méi）有外激勵作用的情況下，隻在特定的係統（tǒng）產生由自身激發（fā）所產生的一種振動且振動即能保持下去，簡（jiǎn）稱自振。鏜削加工中的自（zì）激振動來自於切削過程中刀具與工件之間的一種相對振動。產生的振動直接（jiē）影（yǐng）響零件表麵質量、勞動生產率以及機床本身和刀具的壽命，當振源的頻率與機床的固有（yǒu）頻率或其倍數相等時，機床將發生共振，使振幅（fú）增加。嚴重時（shí）甚至會使運動件損壞，產生強（qiáng）烈的噪聲。

1　鏜（táng）削加工中產生自激振（zhèn）動的主要原因

主振模態耦合原（yuán）理是目前解釋產生自激（jī）振動的主要（yào）理論。該理論認為刀具（jù）與工件相對振動運（yùn）動，是以質量耦合的形式在（zài）兩個方向上相互關聯的振動（dòng）組合（兩個自由度方向（xiàng）的振動）振動時，刀（dāo）具與工件相對運動的軌（guǐ）跡（jì）是順時針方向的橢圓形狀；維持（chí）振動能量（即切削力的變動）僅（jǐn）取決於切（qiē）削截麵的大小變化，而與振動速度無關。

推演振動過程表示，切（qiē）削速度為V，刀尖受力（lì）為P，設定刀具（jù）與工件（jiàn）相對運動的（de）軌跡是順時針方向B→D→A，切深較大。由切深變化而（ér）引起了切削力的變化。刀尖沿切削力P同一方向（B→D→A）移動時所受到的切削力比（bǐ）刀尖沿切削力P相（xiàng）反方向（A→C→B）移動時所受到的切削（xuē）力要（yào）大。這樣，在每一循環內，切內削力P對（duì）刀具部件做的正功大於負功，使得振（zhèn）動加強。直到每一循環獲得的能量與消耗在阻尼（ní）中的能量平衡為止。此後，振動（dòng）便以一定的振幅持續（xù）下去。

2　控製自（zì）激振動的方法

2.1　坐標聯係原理（lǐ）

建立（lì）兩自由度振動的（de）力學模型，刀具運動縱向為X軸，刀具運動橫向為Y軸，切削速度為V，刀（dāo）尖受力為P並於Y軸形成夾角為（wéi）β，在切削速度（dù）為V前方受到係統（tǒng）剛度。設工件為（wéi）絕對剛性，刀具部件同時在X1與X2兩個相互垂直的方向上振動，在K1方向上係（xì）統剛度為K1，在K2方向上（shàng）係統剛度為K2(假設K1＜K2)，與Y軸（通過切削刃做加工平麵的法線，刀具離開工件方向上為正）的夾角為θ，切削力P方向與軸夾角為

。經計算，可求（qiú）出振動為不穩定區的（de）邊界條件，即0＜θ ＜β。也就是說，當振動係統的（de）剛性軸位於力P與軸夾角範圍（wéi）內為不穩定區，係統容易產生（shēng）振動。應用這個理論，隻要使鏜杆的弱剛（gāng）性軸方向位於力P與軸的（de）夾角（jiǎo）範圍以外，就不（bú）容易（yì）產生振（zhèn）動了。這就是結（jié）構消振（zhèn）的原理，亦即坐標聯係原理。

2.2　撞擊（jī）式消振原理

消振原理與過程如圖（tú）1所示。在鏜杆內部安裝撞擊塊，成為介質阻力。在振動過程中要（yào）不斷克服介質阻力做功，消耗能量，振幅就會逐漸減小，振動方程解為欠阻尼。建立（lì）縱坐標為振動位移A，橫坐標為頻（pín）率T。開始時為0位移，但當鏜刀受到的（de）瞬時擾力激發振（zhèn）動後，從平衡位置0產生位移A1，鏜杆獲（huò）得了位能（圖1），處於位移A的負半軸，可用a表示；當瞬時幹擾力消失（shī）後，鏜杆在彈性恢複力的（de）作用下回到平衡（héng）位置上，可（kě）用（yòng）b表示，鏜杆具有最大速度Vmax（從（cóng）圖1的a到b的位置），在（zài）這個過程中鏜杆帶動撞（zhuàng）擊（jī）塊（質量）運動；在（zài）圖1中b位置（zhì）繼（jì）續（xù）運動時，鏜杆和撞擊塊（質量M）都具有Vmax，在慣性力和彈性力的雙重作用下，鏜（táng）杆繼續離開平衡位置而運動到1中c位置，也就是（shì）振動的最高點，即位移A正半軸（zhóu）。由於鏜杆彈性反抗力的（de）作用，速度由Vmax→0，而（ér）撞擊塊（kuài）隻受到（dào）彈性力的作用，因此在最高位置圖1中c時仍具有（yǒu）Vmax，這時撞擊塊與鏜杆離開。當鏜杆由最（zuì）高位置1中c再向平衡位置d運動時，鏜杆與撞擊塊發生碰撞，撞擊塊吸（xī）收了鏜杆的動能，使（shǐ）鏜杆在經（jīng）過第3/4個周（zhōu）期後（由圖1的d到e），鏜杆由平衡位置d繼續（xù）振動到最低點e，振幅明（míng）顯地由A1減小到A2。此過程運動一直往複下去，則使鏜杆振動幅（fú）度逐漸減小。鏜杆振動的衰減速（sù）度主要取（qǔ）決於撞擊的質量M以及撞擊塊與鏜杆內孔壁的間隙大小。

3　合理的改善措施

第一，針對不同（tóng）工件（jiàn）材料求出穩（wěn）定切削區，提高刀具的抗振性改善刀杆的慣性矩（jǔ）、彈性模量和阻尼係數（shù）。可采用（yòng）不同結構鏜杆選擇θ =135°削扁鏜杆或者是（shì）θ =45°削扁鏜杆（gǎn）圓鏜杆。我們測定其動態穩定性，可改變其剛度主軸坐標位置，即（jí）改變角θ 。使θ 角從0°～180°變化，針對加工工件材質不同（tóng）、機床不同等因素，尋找該刀具與工件的穩定切削區，從而消除了（le）自激（jī）振（zhèn）動。

第二，針（zhēn）對鏜杆的不（bú）同，采用合理撞擊塊消振（zhèn）鏜杆（gǎn）消振。鏜杆上使用（yòng）的撞擊式消振器主要結構設想，鏜刀正常安裝在鏜杆（gǎn）上，但在鏜刀前部與鏜杆端部加工一定大小和深度的孔槽，用以安放一定質量M的撞（zhuàng）擊塊，為防（fáng）止撞（zhuàng）擊塊掉落，可以在鏜（táng）杆頭部安裝端蓋。這裏需要（yào）特別注意控製鏜杆振動的衰減速度主要（yào）取決於撞擊的質量以及撞擊塊與鏜杆（gǎn）內孔壁的間隙大（dà）小。

4　結語

采用上述幾項消振措施後，現在該鏜削加工的自激振動（dòng）已得到明顯控製減小消除，加工中的噪聲（shēng）得到（dào）顯著降低。

宏觀來看，刀（dāo）具與工件（jiàn）中（zhōng）產生的自激振動隻是引起（qǐ）機床振動（dòng）和（hé）噪聲（shēng）的一（yī）個方麵，而機床的振動又有很多種，產生的因素很多也很複雜，其他如齒輪齧合的振動、主軸的旋轉等都是引起自激振動不可忽（hū）略的因素（sù）。

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