楊新一，張文明，王 勃，蘭起洪，李 奔

(1.國網(wǎng)汝陽縣供電公司，河南 汝陽 471200；2.中航工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009)

在金屬切削過程中，工藝系統(tǒng)時常會發(fā)生振動[1]。特別是隨著產(chǎn)品輕量化、功能多樣化的需求，導(dǎo)致薄壁件、長懸伸零件的設(shè)計越來越多，結(jié)構(gòu)件形狀越來越復(fù)雜，在機械加工過程中，時常會因為零件剛度差、刀具剛度差和切削參數(shù)設(shè)置不當?shù)纫蛩貙?dǎo)致切削過程中產(chǎn)生振動。

切削過程中的振動是一種極具破壞性的有害現(xiàn)象，會干擾和破壞成形運動，引起刀刃崩裂，縮短切削系統(tǒng)壽命，降低生產(chǎn)效率，產(chǎn)生噪聲污染；因此，研究金屬切削過程中的振動產(chǎn)生的機理，探討抑制振動產(chǎn)生的工藝措施，一直是機械加工領(lǐng)域的重要研究課題。

1 切削加工振動的分類

切削過程中的振動類型如圖1所示，包括自由振動、強迫振動以及自激振動等3種形式。其中，自激振動可分為再生型顫振、耦合型顫振和摩擦型顫振[2]。

圖1 切削過程中的振動類型

2 振動的基本原理

一個單自由度的結(jié)構(gòu)可以簡化為由質(zhì)量m、阻尼C和剛度k組成的單自由度系統(tǒng)[3](見圖2)。

圖2 單自由度振動系統(tǒng)示意圖

如果系統(tǒng)受到激勵或是靜止位置偏離原來的平衡位置時，并使其進行自由的恢復(fù)運動，系統(tǒng)將做自由振動。由于阻尼C的作用，其振動幅值隨時間以系統(tǒng)阻尼常數(shù)的函數(shù)衰減。振動頻率主要取決于系統(tǒng)的剛度k和質(zhì)量m。

2.1 自由振動

假設(shè)質(zhì)量為自由質(zhì)量，不受外力的作用，靜態(tài)位移為x0，將系統(tǒng)釋放，由于工藝系統(tǒng)的阻尼作用，這類振動會在外界干擾去除后迅速自行衰減，對加工過程影響較小。

2.2 強迫振動

當系統(tǒng)受到外力時，系統(tǒng)將進行強迫振動。若施加的外力為恒力時，系統(tǒng)將經(jīng)過一段時間的過渡振動，然后在靜態(tài)偏離處穩(wěn)定，當外力是諧波力時，則會出現(xiàn)持續(xù)振動。

金屬切削過程中引起強迫振動的因素很多，例如機床上齒輪傳動不均勻和軸承制造精度不夠，刀具上各切削刃間存在高度誤差，工件上存在斷續(xù)切削或者余量不均、硬度不一致等。

2.3 自激振動(顫振)

外界不給予機床系統(tǒng)任何干擾，該平穩(wěn)切削加工的過程將一直保持下去；然而在真正的生產(chǎn)實踐中，往往會受到很多外界干擾的影響，也就是說，上述的平穩(wěn)切削加工過程一定會受到外界的干擾而發(fā)生振動。

2.3.1 再生型顫振

簡便起見，考慮正交切削的情況，由外界激勵引起的機床振動使得刀具與工件之間在工件進給方向上產(chǎn)生相對振動，則在第1層切削時，在原本表面光滑的加工工件表面留下波紋，該波紋軌跡為x(t—T)，當?shù)?層開始時，加工的內(nèi)外表面都有波紋，該波紋軌跡為x(t)，主軸旋轉(zhuǎn)1周所需的時間為T，本次理論切削厚度為h0。其動態(tài)切削厚度變?yōu)椋?/p>

h(t)=h0-[x(t)-x(t-T)]

圖3 再生型顫振產(chǎn)生示意圖

再生型顫振產(chǎn)生示意圖如圖3所示。從圖3中可以看出，當連續(xù)兩振紋之間的相位差為0或2π時，無論機床如何振動，動態(tài)切削厚度都不會發(fā)生變化，此時，切削加工過程是穩(wěn)定的；當連續(xù)兩振紋之間的相位差為π時，動態(tài)切削厚度達到最大值，切削過程中的顛振現(xiàn)象最為嚴重。

2.3.2 耦合型顫振

耦合型顫振是由于振動系統(tǒng)在2個方向上的剛度相接近時導(dǎo)致2個固有振型相耦合，因而引起顫振。在切削過程中由于切削力的持續(xù)周期性變化，導(dǎo)致了工藝系統(tǒng)的耦合振動。

2.3.3 摩擦型顫振

摩擦型顫振是指切削速度方向上刀具與工件之間的相互摩擦而引起的顫振，產(chǎn)生的機理主要是在切削過程中切削力隨切削速度的增大具有下降的特性，因而產(chǎn)生1個負摩擦力。而在切削過程中，切削速度不斷地發(fā)生著細微的變化，導(dǎo)致了切削力不斷地變化，從而使加工系統(tǒng)發(fā)生顫振。

總之，自激振動是由于刀具與工件之間切削力的不斷變化而導(dǎo)致切削厚度隨著發(fā)生變化，所以等到下一次切削時又會產(chǎn)生新的振紋，如此循環(huán)反復(fù)，在刀具與工件之間形成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，這個閉環(huán)控制系統(tǒng)是以切削力激發(fā)、動態(tài)切削厚度作為反饋的，且切削厚度的動態(tài)變化與主軸旋轉(zhuǎn)周期T時刻前的切削振動有關(guān)的延時反饋系統(tǒng)。

3 切削加工過程中振動消除的工程應(yīng)用

在工程應(yīng)用中，切削過程的參與者包括機床、刀具、夾具和零件，金屬切削過程中產(chǎn)生的振動等不穩(wěn)定切削現(xiàn)象和其切削參與者密切相關(guān)。通過更改切削過程中參與者的結(jié)構(gòu)及切削參數(shù)可以達到消除振動的目的。常用的振動消除工程方法如下所述。

3.1 剛性輔助增強法

隨著我國工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，輕量化、復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越多，結(jié)構(gòu)件的剛度問題逐漸成為導(dǎo)致加工質(zhì)量差的關(guān)鍵因素，切削振動問題頻發(fā)。

由于產(chǎn)品性能限制，加工零件的結(jié)構(gòu)剛度差，導(dǎo)致切削過程不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動現(xiàn)象。工程中常用的剛性輔助增強方法有剛性支撐法、填充法、粘結(jié)法和工藝柄輔助法等[4]。下述以某型零件為例，介紹工程中消除振動所應(yīng)用的剛性輔助增強示例。

方位部件是某型產(chǎn)品中的關(guān)鍵機械部件，其涉及到多組精密空間孔系，裝調(diào)過程困難，很難通過裝調(diào)達到設(shè)計目標，因此采用組合加工的方式來保證各空間孔系的設(shè)計精度。該零件的空間孔系幾何公差要求達到了IT5～IT6，且結(jié)構(gòu)特征中，包含長度>190 mm的懸臂結(jié)構(gòu)，加工難度大，設(shè)計精度難以保證。

組合加工件中各零件的裝配關(guān)系以及組合加工件中的懸臂特征如圖4和圖5所示。

圖4 組合加工件裝配關(guān)系示意圖

圖5 組合加工件結(jié)構(gòu)圖

在精鏜φ24內(nèi)孔時，內(nèi)孔表面經(jīng)常會出現(xiàn)顫刀紋。該孔系是保證產(chǎn)品精度的關(guān)鍵孔系，其加工質(zhì)量決定了產(chǎn)品的使用性能，因此，查找該孔系的顫刀原因，有針對性地制定解決方案是十分重要的。

按照加工時的裝夾關(guān)系對零部件進行仿真計算，仿真結(jié)果如圖6所示。結(jié)果顯示零件的前4階振型主要是φ24內(nèi)孔位置產(chǎn)生較大變形，因此φ24內(nèi)孔位置為加工過程剛度薄弱點[5-7]。

a) f1=271.29 Hz

b) f2=281.99 Hz

c) f3=560.41 Hz

d) f4=984.77 Hz圖6 方位部件的固有頻率及相應(yīng)振型

利用剛性-非剛性輔助支撐方法，在零件φ24內(nèi)孔位置設(shè)置1個支撐裝置(見圖7)，用于輔助增強零件的加工剛度，零件的裝配方式如圖8所示。

圖7 剛性支撐裝置

圖8 方位部件剛性輔助增強裝夾示意圖

剛性支撐工裝不與加工零件直接接觸。剛性支撐上設(shè)有1個容腔，用以盛裝非剛性材料，其特點是流態(tài)時可以填充任意型腔，固態(tài)時具有很大的剛性。

輔助增強零件剛度后，零件的首階振動頻率提升到934.54 Hz，加工系統(tǒng)剛度得到了很大的提升，進而加工顫刀紋得到了消除。

3.2 加工參數(shù)優(yōu)化法

加工過程中的進給速度、切削厚度、主軸轉(zhuǎn)速與切削力呈復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系，切削參數(shù)的選擇直接影響到加工零件時的切削力大小。對于低剛度零件，切削參數(shù)選擇不當會導(dǎo)致零件產(chǎn)生過大變形，從而會導(dǎo)致加工讓刀或者切削振動現(xiàn)象。主軸轉(zhuǎn)速的選擇同時還關(guān)系著零件加工過程中的共振，對于非連續(xù)切削，零件承受著周期性變化的切削力，若切削力變化頻率與零件的固有頻率相近，將會導(dǎo)致零件產(chǎn)生共振，影響零件的加工質(zhì)量[8-10]。下述以某型零件為例，介紹主軸轉(zhuǎn)速的優(yōu)選方法。

在零件加工過程中，零件受力會呈現(xiàn)出周期性變化的規(guī)律，變化周期與主軸轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，周期性變化的切削力會對零件產(chǎn)生周期性的沖擊。若沖擊周期與零件的固有頻率相近時，會使零件產(chǎn)生共振，導(dǎo)致零件表面產(chǎn)生顫刀紋；因此，合理選擇主軸轉(zhuǎn)速，對于避免加工共振、消除表面顫刀紋具有積極的意義。

旋變套筒是某型產(chǎn)品中的關(guān)鍵零件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。由于零件性能所限，零件圓周面開了3處缺口，導(dǎo)致零件的剛度降低，同時破壞了車削的連續(xù)性。該零件在加工參數(shù)選擇不當時，會在表面出現(xiàn)顫刀紋，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

圖9 旋變套筒結(jié)構(gòu)示意圖

旋變套筒的前2階陣型圖如圖10所示。結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)主要在3個支撐桿右端發(fā)生變形。

a)f1=198.95 Hz

b)f2=226.71 Hz圖10 旋變套筒的固有頻率及相應(yīng)振型

仿真計算結(jié)果可得，零件的固有頻率為198.95 Hz。主軸轉(zhuǎn)速S與切削力激振頻率p之間的關(guān)系如下：

式中，p是激振力頻率，單位為Hz；z是車削斷續(xù)點個數(shù)；S是主軸轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

為避免旋轉(zhuǎn)套筒在車削過程中產(chǎn)生共振，應(yīng)使切削沖擊頻率遠<200 Hz，即控制機床主軸轉(zhuǎn)速遠<4 000 r/min，因此在加工過程中應(yīng)嚴格控制主軸轉(zhuǎn)速，避免零件因共振產(chǎn)生顫刀紋，切削過程中主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在1 000 r/min以內(nèi)。

4 基于振動抑制的工藝設(shè)計思路

振動在金屬切削過程中是普遍存在的，有時振動不明顯，不會影響零件表面質(zhì)量；但有的振動比較劇烈，導(dǎo)致加工零件表面出現(xiàn)嚴重的缺陷，必須予以減弱或消除。

加工過程中的各種振動都有其產(chǎn)生的機理，在實際工程應(yīng)用中，導(dǎo)致振動的原因也不是單一的，需要工程技術(shù)人員根據(jù)工程實際情況，給出合理有效的解決措施。下述給出幾點減少或消除切削振動的思路。

1)應(yīng)排除外部振源的影響。外部振源有規(guī)律或無規(guī)律的持續(xù)振動會通過機床傳遞到加工零件表面，當振動能量達到一定范圍時，零件表面會出現(xiàn)顫刀紋，因此需要首先將此因素排除在外?？梢詾闄C床設(shè)備安裝防震墊等措施將機床與外界進行隔離。

2)應(yīng)考慮切削過程中的斷續(xù)切削、切削量不均勻問題，該原因是導(dǎo)致切削過程中強迫振動的常見因素。斷續(xù)切削問題可以通過調(diào)整工序設(shè)置，最后加工斷續(xù)槽部分，從而避免斷續(xù)切削。切削量不均勻的問題常見于毛坯粗加工或零件拐角處，可以通過調(diào)整進刀路線、切削參數(shù)等進行消除。

3)應(yīng)考慮工藝系統(tǒng)剛度，包括加工零件、刀具、工裝和機床設(shè)備等各個環(huán)節(jié)的剛度。該類問題主要的表現(xiàn)形式為工藝系統(tǒng)的剛度不足以支撐該切削過程的穩(wěn)定進行，解決措施主要考慮增強工藝系統(tǒng)剛度或者降低切削力。零件剛度輔助增強方法主要有剛性支撐法、粘結(jié)法、填充法和工藝柄輔助增強法等形式。降低切削力主要通過調(diào)整切削參數(shù)和刀具來實現(xiàn)。

5 結(jié)語

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)件朝著薄壁化、復(fù)雜化和整體化的方向演變，其性能指標要求越來越高，切削振動問題應(yīng)得到有效的控制和消除。了解切削振動產(chǎn)生的機理及消除措施，可以預(yù)先優(yōu)化工藝設(shè)計思路，最大程度地避免切削過程中的振動現(xiàn)象；也可以有針對性地分析切削過程中的振動原因，快速定位解決切削振動的有效方案。工程問題是復(fù)雜多變的，同時也是有章可循的，掌握工程問題基本原理，積累實際工程經(jīng)驗，才能高效優(yōu)質(zhì)地完成各項工程任務(wù)。

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