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鏜削加工中的自激振動與（yǔ）消振

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

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

關鍵詞（cí）：鏜削加工自激（jī）振（zhèn）動不穩定區撞擊塊衰減速度

自激振動又稱為欠阻尼（ní）振動，是由振動本身（shēn）運動所產生的阻尼力非但不阻止運動，反而將進一步加劇（jù）這種振動，在沒有外（wài）激勵作用（yòng）的情況下（xià），隻在特定的係統（tǒng）產生由自身激（jī）發所產生的一種振動且振動即能（néng）保持下去，簡（jiǎn）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（zhèn）動（dòng）。產生的振（zhèn）動直（zhí）接影響零（líng）件表麵質量、勞動生產率以及機床本身（shēn）和刀具的壽命，當振源的頻率與機床的固有頻率或其倍數相等時，機床將（jiāng）發生共振，使（shǐ）振幅增加。嚴重時甚至會使運動件損壞，產生強烈的噪聲。

1　鏜（táng）削加工中產生自激振（zhèn）動的主（zhǔ）要原（yuán）因

主振模態耦（ǒu）合原理（lǐ）是目前解釋產生自激振動（dòng）的主要理論。該理論認為刀具與工件相對振動運動，是以質量耦合的（de）形式在兩個方向上相互關（guān）聯的（de）振動組合（兩個自由度方向（xiàng）的振動）振動時，刀具與工件相對運動的軌跡是順時針方向的橢圓形狀；維持振動能量（liàng）（即切削力的變動）僅取決於切削（xuē）截麵的大小變（biàn）化，而與振（zhèn）動速（sù）度無關。

推演振動過程表示，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。由切深變化而引起了切削力的（de）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（dà）。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，使得振動加強。直到（dào）每一循環獲得的能量與消（xiāo）耗在阻尼中的能量平（píng）衡為止。此後，振動便以一定的振（zhèn）幅持續下（xià）去。

2　控製自激振動的方法

2.1　坐標聯係原理

建立兩自由度振（zhèn）動的力學模型（xíng），刀具運動（dòng）縱向為X軸，刀具運動橫向（xiàng）為Y軸（zhóu），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。設工件為絕對剛性，刀具部件同時在X1與X2兩（liǎng）個相互垂直的方向（xiàng）上（shàng）振動，在K1方向上係統剛度為K1，在K2方向上係統剛度為K2(假設K1＜K2)，與Y軸（通過切削（xuē）刃做加工平麵的法（fǎ）線，刀具（jù）離開（kāi）工（gōng）件（jiàn）方向上為（wéi）正）的夾角（jiǎo）為θ，切削力P方向（xiàng）與軸夾（jiá）角為

。經計算，可求出振動為不穩定區的（de）邊界條件，即（jí）0＜θ ＜β。也就（jiù）是說（shuō），當振動係統的剛性（xìng）軸位（wèi）於（yú）力P與軸夾（jiá）角（jiǎo）範圍內（nèi）為不穩定區（qū），係統容易產生振動。應用這個理論，隻要使（shǐ）鏜杆（gǎn）的弱剛性軸方向位（wèi）於力P與軸的夾角範圍以外，就不容易產生振動了。這（zhè）就是結構消（xiāo）振的（de）原理，亦即坐標聯係（xì）原理。

2.2　撞擊式消振原理

消振原理與過程如圖1所示。在鏜杆（gǎn）內（nèi）部安裝（zhuāng）撞擊塊（kuài），成為介質阻力。在振動過程（chéng）中要不斷（duàn）克服介質阻力做功，消耗能量，振幅（fú）就會逐漸減小（xiǎo），振動方程解為欠阻尼。建立縱坐標為振動位移A，橫坐標為頻率T。開始時（shí）為0位移，但（dàn）當鏜刀受到（dào）的瞬（shùn）時擾力（lì）激發振動（dòng）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（zhóu），可用a表示；當瞬時（shí）幹擾力消失後，鏜杆（gǎn）在彈性恢（huī）複力（lì）的作用下回到平衡位置上，可用b表示，鏜杆具有最大速度Vmax（從圖1的a到b的位置），在這（zhè）個過程中鏜杆帶動撞擊塊（質量）運動；在圖（tú）1中b位置繼續運（yùn）動時，鏜杆和撞擊塊（質（zhì）量M）都具有Vmax，在慣性力和彈性力的雙重作用下，鏜杆繼續離開平衡位（wèi）置而運動到1中c位置，也就是振動的最（zuì）高點，即位移A正半軸。由於鏜杆彈性反抗力的作用，速度由Vmax→0，而撞擊塊隻受到彈（dàn）性力的（de）作用，因此在最高（gāo）位置圖1中c時仍具有Vmax，這時撞擊塊與鏜杆離開。當鏜（táng）杆由最高位置1中c再向平衡位置d運動時（shí），鏜杆（gǎn）與撞擊塊發生碰撞，撞擊塊（kuài）吸收了鏜杆（gǎn）的動能，使鏜杆在（zài）經過第（dì）3/4個周期後（由圖1的（de）d到e），鏜（táng）杆（gǎn）由平衡位置d繼續（xù）振動到最低點e，振幅明顯地由A1減（jiǎn）小到A2。此過程運動一直往複下去，則使（shǐ）鏜杆振動幅度逐漸減小（xiǎo）。鏜杆振動的衰減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　合理的改善措施

第一，針對不同工件材（cái）料求出穩定切（qiē）削區，提高（gāo）刀具的抗振性改善刀（dāo）杆的慣性矩、彈性模量和阻尼係數（shù）。可（kě）采用不同結構鏜杆選擇θ =135°削扁鏜杆或者是θ =45°削扁鏜杆圓鏜（táng）杆。我們（men）測定其動態穩定性，可改變其剛度主軸（zhóu）坐標位置，即改變角（jiǎo）θ 。使θ 角從0°～180°變化，針對（duì）加工工件材質（zhì）不同、機床不同等因素，尋找該刀具與工（gōng）件的穩定（dìng）切削（xuē）區，從而消（xiāo）除了自激振動。

第二，針對鏜杆的不同（tóng），采用合理撞擊塊消振鏜杆消振（zhèn）。鏜杆上使用的撞擊式消振器主要（yào）結構設想，鏜刀正常安裝在鏜杆上，但在鏜刀前部與鏜杆端（duān）部（bù）加工一定大小和深度（dù）的（de）孔槽，用（yòng）以安放一定質量M的撞（zhuàng）擊（jī）塊，為防（fáng）止撞擊塊掉落，可以（yǐ）在鏜杆頭部安裝端蓋。這裏需要特別（bié）注意控製鏜杆振動的衰減速（sù）度主要（yào）取決（jué）於撞擊的質量（liàng）以及撞擊塊與鏜杆內孔壁（bì）的間隙大小。

4　結語

采用上（shàng）述幾項消振措施後，現在（zài）該鏜削加工的自（zì）激振動已得到明顯控製減小消除，加工（gōng）中的噪聲得到顯著降低。

宏觀來看，刀具與工件中產生（shēng）的自激振動隻是引起（qǐ）機床振動（dòng）和噪（zào）聲（shēng）的一個（gè）方麵，而機床的振動又有很多種，產生的因素（sù）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振動不可忽略的因素。

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