卓學(xué)

[摘 要]本文從機(jī)械系統(tǒng)的顫振出發(fā)，通過(guò)對(duì)加工過(guò)程中發(fā)生顫振的原因的分析，建立曲軸車削過(guò)程的顫振模型，通過(guò)模型，分析影響顫振的因素，用干預(yù)這些因素來(lái)抑制曲軸車削加工過(guò)程的顫振，保證曲軸車削過(guò)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(hào)：TG51；TB535 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）40-0076-02

1、前言

在曲軸的車削過(guò)程中，在沒(méi)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(qiáng)烈的相對(duì)振動(dòng)。振動(dòng)時(shí)，刀具系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)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(dòng)屬于自激振動(dòng)[1]，簡(jiǎn)稱顫振，這種振動(dòng)影響加工表面質(zhì)量，頻率低時(shí)產(chǎn)生波紋（如圖1），頻率高時(shí)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(dòng)制約了切削用量的提高，嚴(yán)重時(shí)使曲軸的軸頸的直徑超差，報(bào)廢曲軸；縮短刀具、機(jī)床等的使用壽命。因此，研究分析曲軸車削加工中的振動(dòng)原因和特性，尋求抑制振動(dòng)的有效途徑是很有必要的。

2、顫振形成的機(jī)理簡(jiǎn)介

通常認(rèn)為顫振是切削過(guò)程中產(chǎn)生的自激振動(dòng)，是一種頻率較高的強(qiáng)烈振動(dòng)，對(duì)于它的產(chǎn)生機(jī)理，雖然從20世紀(jì)50年代以來(lái)進(jìn)行了許多研究，但尚無(wú)完全成熟的理論，還不能用一種理論來(lái)闡明各種狀況下的切削自激振動(dòng)。目前運(yùn)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(rèn)為：在穩(wěn)定的切削過(guò)程中，由于偶然的擾動(dòng)（材料的硬疵點(diǎn)，加工余量不均勻，或其他原因的沖擊等），工藝系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生1次自由振動(dòng)，并在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(dòng)，并在本轉(zhuǎn)加工表面上產(chǎn)生新的振紋，這個(gè)振紋又會(huì)影響到下一圈的切削，從而造成持續(xù)的振動(dòng)。這種后續(xù)切削中重復(fù)再生的振動(dòng)，形成了再生顫振。

由此可見，再生顫振來(lái)源于切削厚度改變所引起的動(dòng)態(tài)切削力，但并非動(dòng)態(tài)切削力存在就一定會(huì)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(shí)遇到了其局限性[1]。

2.2 振型耦合顫振原理

自激振動(dòng)是穩(wěn)定的等幅振動(dòng)，因此自激振動(dòng)形成的條件是，在同一個(gè)振動(dòng)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(dāng)消耗的能量得不到補(bǔ)充，振動(dòng)就會(huì)衰減下去；反之，輸入的能量如果有余，振動(dòng)就會(huì)增大起來(lái)[2]。自振系統(tǒng)中輸入能量的條件：在一定條件下才能對(duì)自振系統(tǒng)輸入能量，引起自激振動(dòng)。

3、曲軸車削過(guò)程的顫振表現(xiàn)及其簡(jiǎn)化模型

曲軸在車削過(guò)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(jiǎn)化為一根直線剛性軸，刀具對(duì)曲軸進(jìn)行切削時(shí)，刀具相對(duì)曲軸具有相對(duì)位移，把切削簡(jiǎn)化為直角切削，當(dāng)顫振發(fā)生時(shí)，刀具相對(duì)曲軸的運(yùn)動(dòng)路徑可以以簡(jiǎn)化為圖2

振紋的曲線方程可以寫成如下形式

把整個(gè)切削系統(tǒng)看成只有一個(gè)等效質(zhì)量和一個(gè)等效阻尼，一個(gè)等效剛度的切削系統(tǒng)，切削系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中，，t為運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，τ為時(shí)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(guò)上面的運(yùn)動(dòng)方程，可以看出當(dāng)切削顫振穩(wěn)定發(fā)生時(shí)，運(yùn)動(dòng)方程的左右相等，當(dāng)某個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，方程穩(wěn)定重新建立，取決于時(shí)滯參數(shù)τ。

4、車削過(guò)程中影響顫振的因素

4.1 切削參數(shù)的影響

切削時(shí)工件的轉(zhuǎn)速和刀具的進(jìn)給影響了時(shí)滯參數(shù)，在顫振穩(wěn)定發(fā)生時(shí)，實(shí)時(shí)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(guò)試驗(yàn)繪制的切削參數(shù)對(duì)顫振振幅的影響曲線[3]，可以看出，切削速度和進(jìn)給過(guò)低或過(guò)高都會(huì)抑制顫振。而在量產(chǎn)加工中，過(guò)低的切削參數(shù)將意味著降低生產(chǎn)效率，過(guò)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(duì)振動(dòng)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(dòng)。而kr越小，切削寬度越寬，。因此越易產(chǎn)生振動(dòng)，前角γ0越大，切削力越小。振幅也越小。對(duì)于不同型號(hào)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(yùn)動(dòng)方程一個(gè)重要的系數(shù)，因此也是影響顫振過(guò)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(lái)吸收或消耗振動(dòng)時(shí)的能量，達(dá)到減振的目的。它對(duì)抑制強(qiáng)迫振動(dòng)和顫振同樣有效，是提高工藝系統(tǒng)抗振性的一個(gè)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(shí)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(dòng)。有時(shí)減少裝夾點(diǎn)反而有利于抑制顫振過(guò)程，而采取這樣的措施時(shí)，要充分考利其負(fù)面的影響。

5、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述的分析，抑制顫振的途徑很多，但要綜合考慮，采取對(duì)策的成本和帶來(lái)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(lái)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(shì)必到來(lái)成本的增加，從而也會(huì)使工藝系統(tǒng)復(fù)雜化，增加維修和保養(yǎng)的負(fù)擔(dān)；增強(qiáng)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(shí)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(xiàn)

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