鏜削加工中的自激振動與消振
2015-8-17 來源：數控機床市場網 作者：濟寧市技師學院劉春英
摘要：在鏜削加工過程中會產生自激振動，當振動量超過允許的范圍時振動會加劇，影響機床的工作性能，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理論的分析，可以合理改善刀具鏜桿結構，設計帶有撞擊塊的刀桿，起到消振器的作用，穩定切削區加工零件，能夠有效避免鏜削加工中的有害自激振動。
關鍵詞：鏜削加工 自激振動 不穩定區 撞擊塊 衰減速度
自激振動又稱為欠阻尼振動，是由振動本身運動所產生的阻尼力非但不阻止運動，反而將進一步加劇這種振動，在沒有外激勵作用的情況下，只在特定的系統產生由自身激發所產生的一種振動且振動即能保持下去，簡稱自振。鏜削加工中的自激振動來自于切削過程中刀具與工件之間的一種相對振動。產生的振動直接影響零件表面質量、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頻率或其倍數相等時，機床將發生共振，使振幅增加。嚴重時甚至會使運動件損壞，產生強烈的噪聲。
1 鏜削加工中產生自激振動的主要原因
主振模態耦合原理是目前解釋產生自激振動的主要理論。該理論認為刀具與工件相對振動運動，是以質量耦合的形式在兩個方向上相互關聯的振動組合（兩個自由度方向的振動）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（即切削力的變動）僅取決于切削截面的大小變化，而與振動速度無關。
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。這樣，在每一循環內，切內削力P對刀具部件做的正功大于負功，使得振動加強。直到每一循環獲得的能量與消耗在阻尼中的能量平衡為止。此后，振動便以一定的振幅持續下去。
2 控制自激振動的方法
2.1 坐標聯系原理
建立兩自由度振動的力學模型，刀具運動縱向為X軸，刀具運動橫向為Y軸，切削速度為V，刀尖受力為P并于Y軸形成夾角為β，在切削速度為V前方受到系統剛度。設工件為絕對剛性，刀具部件同時在X1與X2兩個相互垂直的方向上振動，在K1方向上系統剛度為K1，在K2方向上系統剛度為K2(假設K1＜K2)，與Y軸（通過切削刃做加工平面的法線，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，可求出振動為不穩定區的邊界條件，即0＜θ ＜β。也就是說，當振動系統的剛性軸位于力P與軸夾角范圍內為不穩定區，系統容易產生振動。應用這個理論，只要使鏜桿的弱剛性軸方向位于力P與軸的夾角范圍以外，就不容易產生振動了。這就是結構消振的原理，亦即坐標聯系原理。
。經計算，可求出振動為不穩定區的邊界條件，即0＜θ ＜β。也就是說，當振動系統的剛性軸位于力P與軸夾角范圍內為不穩定區，系統容易產生振動。應用這個理論，只要使鏜桿的弱剛性軸方向位于力P與軸的夾角范圍以外，就不容易產生振動了。這就是結構消振的原理，亦即坐標聯系原理。 2.2 撞擊式消振原理
消振原理與過程如圖1所示。在鏜桿內部安裝撞擊塊，成為介質阻力。在振動過程中要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。建立縱坐標為振動位移A，橫坐標為頻率T。開始時為0位移，但當鏜刀受到的瞬時擾力激發振動后，從平衡位置0產生位移A1，鏜桿獲得了位能（圖1），處于位移A的負半軸，可用a表示；當瞬時干擾力消失后，鏜桿在彈性恢復力的作用下回到平衡位置上，可用b表示，鏜桿具有最大速度Vmax（從圖1的a到b的位置），在這個過程中鏜桿帶動撞擊塊（質量）運動；在圖1中b位置繼續運動時，鏜桿和撞擊塊（質量M）都具有Vmax，在慣性力和彈性力的雙重作用下，鏜桿繼續離開平衡位置而運動到1中c位置，也就是振動的最高點，即位移A正半軸。由于鏜桿彈性反抗力的作用，速度由Vmax→0，而撞擊塊只受到彈性力的作用，因此在最高位置圖1中c時仍具有Vmax，這時撞擊塊與鏜桿離開。當鏜桿由最高位置1中c再向平衡位置d運動時，鏜桿與撞擊塊發生碰撞，撞擊塊吸收了鏜桿的動能，使鏜桿在經過第3/4個周期后（由圖1的d到e），鏜桿由平衡位置d繼續振動到最低點e，振幅明顯地由A1減小到A2。此過程運動一直往復下去，則使鏜桿振動幅度逐漸減小。鏜桿振動的衰減速度主要取決于撞擊的質量M以及撞擊塊與鏜桿內孔壁的間隙大小。
3 合理的改善措施
第一，針對不同工件材料求出穩定切削區，提高刀具的抗振性改善刀桿的慣性矩、彈性模量和阻尼系數。可采用不同結構鏜桿選擇θ =135°削扁鏜桿或者是θ =45°削扁鏜桿圓鏜桿。我們測定其動態穩定性，可改變其剛度主軸坐標位置，即改變角θ 。使θ 角從0°～180°變化，針對加工工件材質不同、機床不同等因素，尋找該刀具與工件的穩定切削區，從而消除了自激振動。
第二，針對鏜桿的不同，采用合理撞擊塊消振鏜桿消振。鏜桿上使用的撞擊式消振器主要結構設想，鏜刀正常安裝在鏜桿上，但在鏜刀前部與鏜桿端部加工一定大小和深度的孔槽，用以安放一定質量M的撞擊塊，為防止撞擊塊掉落，可以在鏜桿頭部安裝端蓋。這里需要特別注意控制鏜桿振動的衰減速度主要取決于撞擊的質量以及撞擊塊與鏜桿內孔壁的間隙大小。
4 結語
采用上述幾項消振措施后，現在該鏜削加工的自激振動已得到明顯控制減小消除，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只是引起機床振動和噪聲的一個方面，而機床的振動又有很多種，產生的因素很多也很復雜，其他如齒輪嚙合的振動、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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