曲軸車削加工中的顫振及其抑制方法

卓學(xué)

[摘 要]本文從機械系統(tǒng)的顫振出發(fā)，通過對加工過程中發(fā)生顫振的原因的分析，建立曲軸車削過程的顫振模型，通過模型，分析影響顫振的因素，用干預(yù)這些因素來抑制曲軸車削加工過程的顫振，保證曲軸車削過程的質(zhì)量和加工效率。

[關(guān)鍵詞]曲軸，顫振，抑制

中圖分類號：TG51；TB535 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）40-0076-02

1、前言

在曲軸的車削過程中，在沒有周期性的外力的作用下，刀具與工件之間也可能產(chǎn)生強烈的相對振動。振動時，刀具系統(tǒng)產(chǎn)生動態(tài)切削力，并在工件的加工表面殘留明顯的、有規(guī)律的振紋，這種現(xiàn)象的振動屬于自激振動[1]，簡稱顫振，這種振動影響加工表面質(zhì)量，頻率低時產(chǎn)生波紋（如圖1），頻率高時產(chǎn)生微觀不平度，粗糙度變差，甚至使曲軸的表面出現(xiàn)鱗刺，降低生產(chǎn)效率，加工中的振動制約了切削用量的提高，嚴重時使曲軸的軸頸的直徑超差，報廢曲軸；縮短刀具、機床等的使用壽命。因此，研究分析曲軸車削加工中的振動原因和特性，尋求抑制振動的有效途徑是很有必要的。

2、顫振形成的機理簡介

通常認為顫振是切削過程中產(chǎn)生的自激振動，是一種頻率較高的強烈振動，對于它的產(chǎn)生機理，雖然從20世紀50年代以來進行了許多研究，但尚無完全成熟的理論，還不能用一種理論來闡明各種狀況下的切削自激振動。目前運用較多的主要有再生顫振原理、振型耦合顫振原理兩種系統(tǒng)理論。

2.1 再生顫振原理

再生顫振理論認為：在穩(wěn)定的切削過程中，由于偶然的擾動（材料的硬疵點，加工余量不均勻，或其他原因的沖擊等），工藝系統(tǒng)會產(chǎn)生1次自由振動，并在加工表面上留下相應(yīng)的振紋。當工件轉(zhuǎn)至下一轉(zhuǎn)時，由于切削到重疊部分的振紋使切削厚度發(fā)生改變，引起切削力的變化，使系統(tǒng)再一次振動，并在本轉(zhuǎn)加工表面上產(chǎn)生新的振紋，這個振紋又會影響到下一圈的切削，從而造成持續(xù)的振動。這種后續(xù)切削中重復(fù)再生的振動，形成了再生顫振。

由此可見，再生顫振來源于切削厚度改變所引起的動態(tài)切削力，但并非動態(tài)切削力存在就一定會導(dǎo)致再生顫振，這還要取決于工藝系統(tǒng)的各種組合條件。但再生顫振原理在解釋重疊切削系數(shù)為0時遇到了其局限性[1]。

2.2 振型耦合顫振原理

自激振動是穩(wěn)定的等幅振動，因此自激振動形成的條件是，在同一個振動周期內(nèi)從能源輸入系統(tǒng)的能量要等于系統(tǒng)消耗的能量。顯然，當消耗的能量得不到補充，振動就會衰減下去；反之，輸入的能量如果有余，振動就會增大起來[2]。自振系統(tǒng)中輸入能量的條件：在一定條件下才能對自振系統(tǒng)輸入能量，引起自激振動。

3、曲軸車削過程的顫振表現(xiàn)及其簡化模型

曲軸在車削過程中，一般采用卡盤頂尖的裝夾方式，而顫振的發(fā)生往往是在接近曲軸的中間位置，把曲軸簡化為一根直線剛性軸，刀具對曲軸進行切削時，刀具相對曲軸具有相對位移，把切削簡化為直角切削，當顫振發(fā)生時，刀具相對曲軸的運動路徑可以以簡化為圖2

振紋的曲線方程可以寫成如下形式

把整個切削系統(tǒng)看成只有一個等效質(zhì)量和一個等效阻尼，一個等效剛度的切削系統(tǒng)，切削系統(tǒng)的運動方程為：

式中，，t為運動的時間，τ為時滯參數(shù)；m 為等效質(zhì)量；c為等效阻尼；k為等效剛度；

通過上面的運動方程，可以看出當切削顫振穩(wěn)定發(fā)生時，運動方程的左右相等，當某個參數(shù)發(fā)生變化時，方程穩(wěn)定重新建立，取決于時滯參數(shù)τ。

4、車削過程中影響顫振的因素

4.1 切削參數(shù)的影響

切削時工件的轉(zhuǎn)速和刀具的進給影響了時滯參數(shù)，在顫振穩(wěn)定發(fā)生時，實時改變切削參數(shù)，使切入和切出的能量改變可以破壞顫振的穩(wěn)定性，從而有利于抑制顫振的發(fā)生。圖4是粟新等人通過試驗繪制的切削參數(shù)對顫振振幅的影響曲線[3]，可以看出，切削速度和進給過低或過高都會抑制顫振。而在量產(chǎn)加工中，過低的切削參數(shù)將意味著降低生產(chǎn)效率，過高的切削參數(shù)將導(dǎo)致刀具的急劇磨損，增加生產(chǎn)成本。

4.2 刀具幾何參數(shù)

刀具的幾何參數(shù)中。對振動影響最大的是主偏角kr和前角γ0。由于切屑越寬越容易產(chǎn)生振動。而kr越小，切削寬度越寬，。因此越易產(chǎn)生振動，前角γ0越大，切削力越小。振幅也越小。對于不同型號曲軸共線生產(chǎn)的生產(chǎn)線，為了減少換型損失，往往采用共用的刀具，因此刀具幾何參數(shù)往往受到限制。

4.3 提高工藝系統(tǒng)的剛度

工藝系統(tǒng)的剛度k，是切削系統(tǒng)的運動方程一個重要的系數(shù)，因此也是影響顫振過程的重要因素，采用死頂尖代替活頂尖、采用跟刀架或中心架，提高頂尖的研磨質(zhì)量，都可以提高工藝系統(tǒng)的剛度。

4.4 增加減振裝置

增加減振裝置可以有效的改變方程中的阻尼系數(shù)c，從而有效的抑制顫振，例如，采用彈性刀桿等，減振裝置通常都是附加在工藝系統(tǒng)中，用來吸收或消耗振動時的能量，達到減振的目的。它對抑制強迫振動和顫振同樣有效，是提高工藝系統(tǒng)抗振性的一個重要途徑，但它并不能提高工藝系統(tǒng)的剛度。

4.5 調(diào)整振型的剛度比

在實際的加工中，并非工藝系統(tǒng)的剛度越高抗振效果就越好，而是局定于振型的剛度比，合理調(diào)整它們之間的關(guān)系，就可以有效地提高系統(tǒng)的抗振性，抑制自激振動。有時減少裝夾點反而有利于抑制顫振過程，而采取這樣的措施時，要充分考利其負面的影響。

5、結(jié)語

通過上述的分析，抑制顫振的途徑很多，但要綜合考慮，采取對策的成本和帶來的影響，特別是在柔性的加工系統(tǒng)中，由于要加工不同的品種產(chǎn)品，用改變切削參數(shù)的方法來抑制顫振意味著每換型一次就要改變參數(shù)，這樣是不利于系統(tǒng)柔性的發(fā)揮。增加減振器勢必到來成本的增加，從而也會使工藝系統(tǒng)復(fù)雜化，增加維修和保養(yǎng)的負擔(dān)；增強工藝系統(tǒng)的剛度比和合理的調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部的剛度比，使加工時所激發(fā)顫振的頻率和系統(tǒng)的固有頻率差距很大是最常用的方法

參考文獻

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