趙玉霞

（滁州技師學(xué)院 ，安徽 滁州 239000）

控制磨削加工中的自激振動(dòng)的有效途徑

趙玉霞

（滁州技師學(xué)院 ，安徽 滁州 239000）

切削加工中，工藝系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，使工藝系統(tǒng)的各種成形運(yùn)動(dòng)受到干擾和破壞，它不僅嚴(yán)重地惡化加工表面質(zhì)量，縮短刀具和機(jī)床的工作壽命，降低生產(chǎn)效率。提高工藝系統(tǒng)的抗振性和探討消除振動(dòng)的措施等研究日益受到重視。

自激振動(dòng);磨削切削加工；有效途徑

切削加工中，工藝系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，使工藝系統(tǒng)的各種成形運(yùn)動(dòng)受到干擾和破壞，它不僅嚴(yán)重地惡化加工表面質(zhì)量，縮短刀具和機(jī)床的工作壽命，降低生產(chǎn)效率，而且還發(fā)出刺耳的噪音，影響工人的健康。隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)加工零件的表面質(zhì)量要求越來越高。因此，對(duì)加工中的機(jī)理、提高工藝系統(tǒng)的抗振性和探討消除振動(dòng)的措施等研究日益受到重視。金屬切削加工中的振動(dòng)主要有兩種類型：強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)，下面主要討論自激振動(dòng)產(chǎn)生的原因和控制自激振動(dòng)的措施。

一、機(jī)械加工中的自激振動(dòng)

自激振動(dòng)是工藝系統(tǒng)沒有外力作用而由自激力自激產(chǎn)生的振動(dòng)。切削加工中經(jīng)常出現(xiàn)的強(qiáng)烈振動(dòng)，這種振動(dòng)是振動(dòng)過程本身引起切削力的周期性變化，這個(gè)周期變化的切削力反過來又加強(qiáng)和維持振動(dòng)，使振動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)充了有阻尼作用消耗的能量，這種類型的振動(dòng)稱自激振動(dòng)。切削過程中產(chǎn)生的自激振動(dòng)是頻率較高的強(qiáng)烈振動(dòng)，是影響加工表面質(zhì)量及生產(chǎn)效率的主要原因。自激振動(dòng)的形成是由于加工過程本身產(chǎn)生的激振和反饋?zhàn)饔茫匀敉Ｖ骨邢鬟^程，即使機(jī)床繼續(xù)空運(yùn)轉(zhuǎn)，自激振動(dòng)也隨即消失。可以通過改變切削過程有影響的工藝參數(shù)來控制切削過程，從而限制自激振動(dòng)的產(chǎn)生。

二、產(chǎn)生自激振動(dòng)的學(xué)說

（一）負(fù)阻尼（負(fù)摩擦）激振原理

當(dāng)切削韌性鋼材時(shí)，徑向切削分力FY開始隨著切削速度的增加而增加，但當(dāng)達(dá)到某一速度極限后，則又隨著切削速度的增加而減少，實(shí)驗(yàn)證明，在切削分力—切削速度曲線下降區(qū)極易引起切削自振。由切削理論可知，徑向切削分力FY的大小主要決定于切屑沿刀具前面相對(duì)滑動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力。因此，切削分力的改變就意味著摩擦力的變化。摩擦力隨摩擦速度的增加而下降的特性稱為負(fù)阻尼特性。

（二）再生自激振動(dòng)原理

在切削（或磨削）加工中，由于刀具（砂輪）的進(jìn)給量一般不大，而刀具的負(fù)偏角又較小，當(dāng)工件轉(zhuǎn)過一周又開始切削下周時(shí)，刀刃必然有切過的上一圈表面接觸，即產(chǎn)生重疊切削。如圖為磨削加工示意圖

在穩(wěn)定的切削過程中，由于偶然的擾動(dòng)（材料的硬疵點(diǎn)、加工余量不均勻或其他原因的沖擊），工藝系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生自由振動(dòng)，并在被加工表面上留下相應(yīng)的振紋。當(dāng)工件轉(zhuǎn)至下一轉(zhuǎn)時(shí)由于切削刀重疊部分的振紋使切削厚度發(fā)生變化，從而引起切削力的周期改變，產(chǎn)生再生自激振動(dòng)。尤其是砂輪寬度大于工件的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量時(shí)，產(chǎn)生的自激現(xiàn)象更為嚴(yán)重。由切削過程情況分析可知，切削中再生自激振動(dòng)產(chǎn)生的必要條件是后一轉(zhuǎn)切削的表面Y0滯后于前一轉(zhuǎn)的切削表面Y。為了減少再生自激振動(dòng)，可以改變加工中某項(xiàng)工藝參數(shù)，使Y與Y0同相或超前一個(gè)相位角。

（三）振型藕合自激振動(dòng)原理

當(dāng)刃磨（銑刀，鉸刀）外圓表面時(shí)，砂輪并不發(fā)生重疊切削。從理論上講排除了再生自激振動(dòng)的可能。但實(shí)際加工中，當(dāng)磨削深度達(dá)到一定時(shí)，仍然會(huì)產(chǎn)生自激振動(dòng)，這種原因是由于振型耦合產(chǎn)生的。為了排除再生自振的影響，必須在特定的加工條件下，使刀具總是切削到“新鮮”的金屬。如果系統(tǒng)在切削中一旦產(chǎn)生了角頻率為ω的振動(dòng)，則工件同時(shí)在兩個(gè)方向以不同的振幅和相位進(jìn)行振動(dòng)，其合成運(yùn)動(dòng)為一橢圓。假定刀具假定刀具按一定的方向切削，在前半周，切削力的方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，在后半周切削力方向與運(yùn)動(dòng)方向相同。因此，在前半周期中系統(tǒng)消耗能量，在后半周期中將能量輸入系統(tǒng)。由于在后半周期切削深度較大，故后半周期切削力大于前半周期，在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，輸入系統(tǒng)的能量大于系統(tǒng)消耗的能量，多余的能量足以抵償阻尼損耗，振動(dòng)將得以維持。

三、控制自激振動(dòng)的途徑

從以上分析可知，切削過程產(chǎn)生自激振動(dòng)于切削過程本身有關(guān)，又與工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能有關(guān)，所以消除振動(dòng)的措施也是多方面。但是最主要的問題是減少內(nèi)激振動(dòng)。

（一）合理的選擇切削用量

1、切削速度的選擇 一般當(dāng)速度在30-70m/min范圍內(nèi)容易產(chǎn)生振動(dòng)相應(yīng)的振幅值較大。當(dāng)切削速度低于或高于這個(gè)范圍，振動(dòng)處于減弱狀態(tài)，在許多情況下采用高速切削是合理的，它既可避免自激振動(dòng)，又可保證生產(chǎn)效率和較小的表面粗糙度。

2、增大進(jìn)給量可使振幅減少 在加工表面粗糙度允許的情況下可選取較大的進(jìn)給量以避免自激振動(dòng)。

3、根據(jù)切削深度αP與切削寬度b的關(guān)系，當(dāng)αP增大，切削寬度也增加。振動(dòng)也加強(qiáng)。故切削寬度對(duì)振動(dòng)影響很大，選擇切削深度αP時(shí)一定要考慮切削寬度b對(duì)振動(dòng)的影響。

（二）增大工藝系統(tǒng)的剛度和阻尼 注意加強(qiáng)前后頂尖的剛度，做好頂尖與工件頂尖孔及頂尖與套筒，套筒與尾架的配合。工件剛度不足時(shí)采用中心架。在保證砂輪架軸承溫度升高限度內(nèi)盡量減少軸承間隙，以提高軸承的油膜剛度。

（三）減小工件速度，增大砂輪速度 也就是提高砂輪與工件的速比，有利于減少自激振動(dòng)當(dāng)要注意砂輪速度的提高會(huì)引起強(qiáng)迫振動(dòng)。

（四）砂輪太硬或太軟都不利于消振，要選擇適當(dāng)?shù)纳拜営捕?同時(shí)砂輪修整得銳利些可以減少自激振動(dòng)。

（五）采用減振裝置

當(dāng)使用上述各種措施仍然不能達(dá)到消振因此的目的時(shí)，可考慮使用液壓阻尼器進(jìn)行減振。就是在原有的工藝系統(tǒng)上附加上一個(gè)子系統(tǒng)，其中包含有質(zhì)量、彈簧和阻尼，并合理選擇這些參數(shù)，就可以改變原工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使之對(duì)于激振力的響應(yīng)大為降低起到減振和消振的效果。如圖所示

它是利用液體流動(dòng)阻力作用消除振動(dòng)。阻尼越大，減振的效果越好。這種減振裝置具有結(jié)構(gòu)輕巧、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于消除強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)都有很好的效果，已受到廣泛的重視和應(yīng)用。

[1]吳岳昆主編.金屬切削原理與刀具[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1978.

[2]趙志修主編.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1984.

[3]顧維邦主編.金屬切削機(jī)床[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1984.

[4]陳海魁主編.機(jī)械基礎(chǔ)[M].北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2001.

TH161+.1 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A

1671-5993（2011）02-0060-02

2011-04-30

趙玉霞(1965-)，女，安徽淮北人，滁州技師學(xué)院副教授。