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鏜削加工中的自激振動與消振（zhèn）

2015-8-17 來源：數控機床（chuáng）市（shì）場網作者（zhě）：濟寧市技師學院劉春英（yīng）

摘要：在鏜削加工過程中會產生自激振動，當（dāng）振動量超過允許的（de）範圍時振動會（huì）加劇，影響機床的工作（zuò）性能，使機床的零部件產生附加動載荷，減少零件的壽命。通過加深對自激振動有關（guān）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（qì）的作用，穩定切（qiē）削區加工零件，能夠有效避免（miǎn）鏜削加工（gōng）中的有害自激振動。

關鍵詞：鏜削加工自激振（zhèn）動不穩定區撞擊（jī）塊衰減速度

自激振動又稱為欠（qiàn）阻（zǔ）尼（ní）振動，是（shì）由振動本身運動（dòng）所產生的阻尼力非但不阻止運動，反而將進（jìn）一步加劇這種振動，在沒有外激勵作用的情況下，隻在特定的係（xì）統產生由（yóu）自身激發所產生的一種振動且振動即能保持（chí）下去，簡稱自振。鏜削加工（gōng）中的自激振（zhèn）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）影響零件表麵質量、勞動生產率以及機床本身和刀（dāo）具的壽命，當振源的頻率與（yǔ）機床的固有頻（pín）率或其（qí）倍數相等（děng）時，機床將發生共振（zhèn），使振幅增加（jiā）。嚴重時甚至會使（shǐ）運（yùn）動件損壞，產（chǎn）生強烈的噪聲。

1　鏜削加（jiā）工中產生自激振動的主要原因

主振模態耦合原（yuán）理是目前解釋（shì）產（chǎn）生自激振動（dòng）的主要理論。該理論認為刀具與（yǔ）工件相對振動運動，是以（yǐ）質量耦（ǒu）合的形式在兩個（gè）方向上相互關聯的振動組合（hé）（兩個自由度方向的振動）振動時，刀具與工件相對運動（dòng）的軌跡是順時針方向的橢圓形狀；維持振動能量（liàng）（即切削力（lì）的變動）僅取決於切削截麵的大小變化，而與（yǔ）振動速度無關。

推演（yǎn）振動過程表示（shì），切削速度為V，刀尖受力為P，設定刀具與工件相對運動的軌跡是順時針方向B→D→A，切深較大。由切（qiē）深變（biàn）化（huà）而引起了切削力的變（biàn）化。刀尖沿切削力P同一方向（B→D→A）移動時所受（shòu）到的切削（xuē）力（lì）比刀尖沿切削力P相反方向（A→C→B）移動時所受到的切削力要大。這樣，在每一循環內，切內削力P對刀具（jù）部件做的正功大於負功，使得振動加強。直（zhí）到每一（yī）循環獲得的能量與消耗在阻尼中的能量平衡為止。此後，振動便以一定的振幅持續下去。

2　控製自激振動的方法

2.1　坐標聯係原理

建立兩自（zì）由度振動的力學模型，刀具運動（dòng）縱向為X軸，刀（dāo）具運（yùn）動橫向為Y軸，切削速度為V，刀尖受力為P並於Y軸形成夾角為β，在切削速度為V前方受到係（xì）統剛度。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（zhí）的方向上振動，在K1方（fāng）向（xiàng）上係統剛度為K1，在K2方向上係統剛度為K2(假設（shè）K1＜K2)，與Y軸（通過切削刃做加工平麵的法線（xiàn），刀具離開工件方向上為正）的夾角為θ，切削力P方（fāng）向與軸夾角為

。經（jīng）計算，可（kě）求出振動為不穩定區的邊界條件，即0＜θ ＜β。也就是說，當振（zhèn）動係統的剛性軸位於力P與軸夾角範圍內為不穩定區，係統容（róng）易產生振動。應用這個理論，隻要使鏜杆的弱剛（gāng）性軸方向位（wèi）於力P與軸的夾角範圍以外（wài），就不容易產（chǎn）生振（zhèn）動了。這就是結構（gòu）消振（zhèn）的原理，亦即坐標聯係原理。

2.2　撞擊式消（xiāo）振原理

消（xiāo）振原理與過程如圖1所示。在鏜杆內部（bù）安裝撞（zhuàng）擊塊，成為介質阻力。在振動過程中要不斷克（kè）服介質（zhì）阻力做功，消（xiāo）耗能量，振幅（fú）就會逐漸減小，振（zhèn）動方程（chéng）解為欠阻尼。建立縱坐標（biāo）為振動位移A，橫坐（zuò）標為（wéi）頻率T。開始時為0位移，但（dàn）當（dāng）鏜刀受到的瞬時擾力激發振（zhèn）動後，從平衡位置0產生位移A1，鏜杆獲得了位能（圖1），處於位移A的負半軸，可用（yòng）a表示；當瞬時幹擾力（lì）消失後，鏜杆在（zài）彈性恢複力的作用（yòng）下回到平衡（héng）位置上，可用b表示，鏜杆具有最大（dà）速度（dù）Vmax（從圖1的a到b的位置），在這個過程中鏜杆帶（dài）動撞擊塊（質量）運動；在圖1中b位置繼續運動時，鏜杆和（hé）撞擊塊（kuài）（質量M）都具有Vmax，在慣性力和彈性力的雙重作用下，鏜杆（gǎn）繼續離開（kāi）平衡（héng）位（wèi）置而運動到1中c位置，也就是振動的（de）最高點，即位移A正半軸。由於（yú）鏜杆彈性反抗力的作用，速度由（yóu）Vmax→0，而撞擊塊隻受到彈性力的作用（yòng），因（yīn）此在最高位置（zhì）圖1中c時仍具有Vmax，這時撞擊塊與鏜杆離（lí）開。當（dāng）鏜（táng）杆由最高位置1中c再向平衡位置d運動時，鏜（táng）杆與撞擊塊（kuài）發生碰撞（zhuàng），撞擊塊吸收了（le）鏜杆的動能，使鏜杆在（zài）經過第3/4個周期後（由圖1的d到e），鏜杆由平衡位置d繼續振動到最低（dī）點e，振幅明顯（xiǎn）地由A1減小到A2。此過程運動一直往複（fù）下去，則使鏜杆振動幅度逐漸減小。鏜杆振（zhèn）動（dòng）的（de）衰（shuāi）減（jiǎn）速度主要取決於撞擊的質量M以及撞擊塊與鏜杆內孔壁的間隙大小。

3　合（hé）理的改善措施

第一，針對不同工件材料求出穩定切削區（qū），提高刀具的抗（kàng）振（zhèn）性改善刀（dāo）杆的慣性矩、彈性模量和阻尼係數。可采用不同結構鏜杆選擇θ =135°削扁鏜杆或者是θ =45°削扁鏜（táng）杆圓鏜杆（gǎn）。我們測定其動態（tài）穩定性，可改變其剛度主軸坐標位置，即改（gǎi）變角θ 。使θ 角從0°～180°變化，針對加工工件材質（zhì）不同、機床不同等因素，尋找該（gāi）刀具與工件的穩定切削區（qū），從而（ér）消除了自激振動。

第二，針對鏜杆的不同，采用合理撞擊塊消振鏜杆消振。鏜杆上使用（yòng）的撞擊式消振器主要結構設（shè）想，鏜刀正常安（ān）裝在鏜杆上（shàng），但在鏜刀前部與鏜（táng）杆端部（bù）加工（gōng）一定大小和深度的孔槽，用以安放一定質量（liàng）M的（de）撞擊塊，為防止撞擊塊（kuài）掉落，可以在鏜杆頭部安（ān）裝（zhuāng）端蓋。這裏需要特別注意控製鏜杆振動的衰減速度主要取決於撞擊的質量（liàng）以及（jí）撞擊塊與（yǔ）鏜杆內（nèi）孔壁的間（jiān）隙大小。

4　結（jié）語

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

宏觀來看，刀具與工件中產生的自激振動隻是（shì）引起機床（chuáng）振動和噪（zào）聲的一（yī）個方麵（miàn），而機床的振動（dòng）又有很多種，產生的因（yīn）素很多也很複雜，其他如齒輪齧合的振動（dòng）、主軸的旋轉等都是引起自激（jī）振動不可忽（hū）略的因素。

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