镗削加工中的自激振动与消振
2015-8-17 来源：数控机床市场网 作者：济宁市技师学院刘春英
摘要：在镗削加工过程中会产生自激振动，当振动量超过允许的范围时振动会加剧，影响机床的工作性能，使机床的零部件产生附加动载荷，减少零件的寿命。通过加深对自激振动有关理论的分析，可以合理改善刀具镗杆结构，设计带有撞击块的刀杆，起到消振器的作用，稳定切削区加工零件，能够有效避免镗削加工中的有害自激振动。
关键词：镗削加工 自激振动 不稳定区 撞击块 衰减速度
自激振动又称为欠阻尼振动，是由振动本身运动所产生的阻尼力非但不阻止运动，反而将进一步加剧这种振动，在没有外激励作用的情况下，只在特定的系统产生由自身激发所产生的一种振动且振动即能保持下去，简称自振。镗削加工中的自激振动来自于切削过程中刀具与工件之间的一种相对振动。产生的振动直接影响零件表面质量、劳动生产率以及机床本身和刀具的寿命，当振源的频率与机床的固有频率或其倍数相等时，机床将发生共振，使振幅增加。严重时甚至会使运动件损坏，产生强烈的噪声。
1 镗削加工中产生自激振动的主要原因
主振模态耦合原理是目前解释产生自激振动的主要理论。该理论认为刀具与工件相对振动运动，是以质量耦合的形式在两个方向上相互关联的振动组合（两个自由度方向的振动）振动时，刀具与工件相对运动的轨迹是顺时针方向的椭圆形状；维持振动能量（即切削力的变动）仅取决于切削截面的大小变化，而与振动速度无关。
推演振动过程表示，切削速度为V，刀尖受力为P，设定刀具与工件相对运动的轨迹是顺时针方向B→D→A，切深较大。由切深变化而引起了切削力的变化。刀尖沿切削力P同一方向（B→D→A）移动时所受到的切削力比刀尖沿切削力P相反方向（A→C→B）移动时所受到的切削力要大。这样，在每一循环内，切内削力P对刀具部件做的正功大于负功，使得振动加强。直到每一循环获得的能量与消耗在阻尼中的能量平衡为止。此后，振动便以一定的振幅持续下去。
2 控制自激振动的方法
2.1 坐标联系原理
建立两自由度振动的力学模型，刀具运动纵向为X轴，刀具运动横向为Y轴，切削速度为V，刀尖受力为P并于Y轴形成夹角为β，在切削速度为V前方受到系统刚度。设工件为绝对刚性，刀具部件同时在X1与X2两个相互垂直的方向上振动，在K1方向上系统刚度为K1，在K2方向上系统刚度为K2(假设K1＜K2)，与Y轴（通过切削刃做加工平面的法线，刀具离开工件方向上为正）的夹角为θ，切削力P方向与轴夹角为
。经计算，可求出振动为不稳定区的边界条件，即0＜θ ＜β。也就是说，当振动系统的刚性轴位于力P与轴夹角范围内为不稳定区，系统容易产生振动。应用这个理论，只要使镗杆的弱刚性轴方向位于力P与轴的夹角范围以外，就不容易产生振动了。这就是结构消振的原理，亦即坐标联系原理。
。经计算，可求出振动为不稳定区的边界条件，即0＜θ ＜β。也就是说，当振动系统的刚性轴位于力P与轴夹角范围内为不稳定区，系统容易产生振动。应用这个理论，只要使镗杆的弱刚性轴方向位于力P与轴的夹角范围以外，就不容易产生振动了。这就是结构消振的原理，亦即坐标联系原理。 2.2 撞击式消振原理
消振原理与过程如图1所示。在镗杆内部安装撞击块，成为介质阻力。在振动过程中要不断克服介质阻力做功，消耗能量，振幅就会逐渐减小，振动方程解为欠阻尼。建立纵坐标为振动位移A，横坐标为频率T。开始时为0位移，但当镗刀受到的瞬时扰力激发振动后，从平衡位置0产生位移A1，镗杆获得了位能（图1），处于位移A的负半轴，可用a表示；当瞬时干扰力消失后，镗杆在弹性恢复力的作用下回到平衡位置上，可用b表示，镗杆具有最大速度Vmax（从图1的a到b的位置），在这个过程中镗杆带动撞击块（质量）运动；在图1中b位置继续运动时，镗杆和撞击块（质量M）都具有Vmax，在惯性力和弹性力的双重作用下，镗杆继续离开平衡位置而运动到1中c位置，也就是振动的最高点，即位移A正半轴。由于镗杆弹性反抗力的作用，速度由Vmax→0，而撞击块只受到弹性力的作用，因此在最高位置图1中c时仍具有Vmax，这时撞击块与镗杆离开。当镗杆由最高位置1中c再向平衡位置d运动时，镗杆与撞击块发生碰撞，撞击块吸收了镗杆的动能，使镗杆在经过第3/4个周期后（由图1的d到e），镗杆由平衡位置d继续振动到最低点e，振幅明显地由A1减小到A2。此过程运动一直往复下去，则使镗杆振动幅度逐渐减小。镗杆振动的衰减速度主要取决于撞击的质量M以及撞击块与镗杆内孔壁的间隙大小。
3 合理的改善措施
第一，针对不同工件材料求出稳定切削区，提高刀具的抗振性改善刀杆的惯性矩、弹性模量和阻尼系数。可采用不同结构镗杆选择θ =135°削扁镗杆或者是θ =45°削扁镗杆圆镗杆。我们测定其动态稳定性，可改变其刚度主轴坐标位置，即改变角θ 。使θ 角从0°～180°变化，针对加工工件材质不同、机床不同等因素，寻找该刀具与工件的稳定切削区，从而消除了自激振动。
第二，针对镗杆的不同，采用合理撞击块消振镗杆消振。镗杆上使用的撞击式消振器主要结构设想，镗刀正常安装在镗杆上，但在镗刀前部与镗杆端部加工一定大小和深度的孔槽，用以安放一定质量M的撞击块，为防止撞击块掉落，可以在镗杆头部安装端盖。这里需要特别注意控制镗杆振动的衰减速度主要取决于撞击的质量以及撞击块与镗杆内孔壁的间隙大小。
4 结语
采用上述几项消振措施后，现在该镗削加工的自激振动已得到明显控制减小消除，加工中的噪声得到显著降低。
宏观来看，刀具与工件中产生的自激振动只是引起机床振动和噪声的一个方面，而机床的振动又有很多种，产生的因素很多也很复杂，其他如齿轮啮合的振动、主轴的旋转等都是引起自激振动不可忽略的因素。
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