车床加工中的振动原因分析及对策

黄力刚，苏 静

（河南工业职业技术学院，河南南阳473009）

当车床发生振动时，工件表面质量恶化，产生明显的表面振纹，粗糙度增大，这时必须降低切用量，使车床的各种效率大大降低。强烈振动时，会产生崩刃现象，使切削加工过程无法进行。由于振动将使车床和刀具磨损加剧，缩短车床和刀具的使用寿命；振动伴随有噪音，危害工人的身心健康，使工作环境恶化。因此，我们应了解振动产生的原因，掌握其规律，并加以限制或消除。

1 振动的概念及分类

在自然界和生产实践中，人们经常可以看到物体在其平衡位置附近作往复运动的现象。这种往复性的机械运动，称为机械振动。如乐器的琴弦或簧片的振动，发动机开动时机身和地基的振动等。

机械振动的形式很多，随着分类方法不同，可分为许多类型；按产生振动的原因分类，则可分为自由振动、强迫振动和自激振动。

（1）自由振动。当系统的平衡被破坏，只靠其弹性恢复力来维持的振动称为自由振动。由于振动系统存在阻尼，故自由振动往往很快衰减而消失。

（2）强迫振动。系统在周期性变化的外力作用下所产生的振动。

（3）自激振动。系统具有非振荡性能源和反馈特性，从而引起一种稳定的周期性振动，维持振动的交变力由运动本身产生和控制。

2 车床振动的原因分析

车床在工作中影响加工的振动主要属于强迫振动和自激振动。

2.1 强迫振动产生的原因

强迫振动是由外界周期性的干扰力所引起和维持的振动。支持振动的干扰力，是由外界产生的，振动的特性由外界决定。因此，为了消除强迫振动，首先必须了解振动产生的原因，并确定引起振动的根源——振源。

强迫振动产生的原因主要有：

（1）系统外部的周期性干扰源；

（2）旋转零件质量偏心产生的离心力；

（3）运动传递过程中传动零件的误差；

（4）切削过程中的间隙特性。

车床在机械加工过程中，产生振动的振源有两种：一是来自车床内部的机内振源；另一种是来自机床外部的机外振源。

机内振源——车床上电动机的振动，包括转子旋转不平衡及电磁力不平衡引起的振动；机床回转零件的不平衡，如皮带轮、卡盘、刀盘和工件不平衡引起的振动；运动传递过程中引起的振动，如变速操纵机机构中的齿轮啮合时的冲击力，卸荷带轮把径向载荷卸给箱体时的振动，三角皮带的厚度不均匀，皮带轮质量偏心，双向多片摩擦离合器、滑动轴承和滚动轴承尺寸及形位误差引起的振动；往复部件运动的惯性力，如离合器控制箱体的正反转引起的惯性力振动；切削时的冲击振动，如切削带有键槽的工件表面时循环冲击载荷引起的振动；车床液压系统的压力脉动。

机外振源——其他机床、锻压设备、火车、汽车等通过地基传给车床的振动。

2.2 自激振动产生的原因

自激振动是在没有外来的周期性干扰力的条件下，由振动系统本身引起的交变力作用而产生的振动。在机械加工过程中，这种振动是由振动过程本身引起某种切削力的周期性变化，又由这个周期性变化的切削力反过来加强和维持振动，使振动系统补充了由阻尼作用消耗的能量。当振动运动停止时，该交变力也就消失。这种在金属切削过程中的自激振动，一般称为切削颤振，简称为颤振。

自激振动的特点主要有：

（1）自激振动是一种不衰减振动，外部振源在最初起触发作用，但维持振动所需交变力是振动过程本身产生的。因此系统运动一停止，交变力也随之消失。即停止切削运动，自激振动也随之消失。

（2）自激振动的频率接近或等于系统的固有频率。

（3）自激振动是否产生以及振幅的大小，取决于振动系统周期内输入和消耗的能量对比。

3 减少及消除车床振动的措施

3.1 减小和消除强迫振动的措施

（1）减小或消除振源的激振力。其一，是消减工艺系统中回转零件的不平衡。对转速在600 r/min以上的回转零件，在使用时就应注意其结构与回转中心的对称性；在使用中应进行动、静平衡，以减小回转类零件因不平衡引起的离心力及冲击力；其二，是提高传动零件的制造精度。提高传动零件的制造精度是为了减小或消除传动过程中的冲击。因此，可以通过提高传动齿轮的制造精度和装配质量，或采用对振动冲击不敏感的高阻尼类材料制造传动件，以有效地减小振动。

（2）改进传动机构的缺陷与隔振。为了防止液压传动引起的振动，最好将液压泵与机床分离开，并采用软管连接。技术要求高的精密机床，最好采用叶片泵或螺旋泵，减小压力脉动。对于从机床外部由地基传来的干扰振动，则主要是采用隔振措施，使由内、外振源激起的振动，不能传到刀具和工件上去。如电动机安装隔振橡皮。

（3）提高工艺系统本身的抗振性。提高机床、工件及刀具的刚度，都会增加系统的抗振性；增加阻尼，也是减小振动的有效办法。应在结构设计时，考虑增加阻尼及刚度，以达到减振目的。

（4）调节振动源频率。在选择转速时，尽可能使旋转件的频率远离机床有关元件的固有频率，避开共振区。

（5）采用减振器与阻尼器。当使用上述方法仍无效时，可考虑使用阻尼器或减振器。

需要指出的是，强迫振动只有在高速切削车床和重型车床发生谐振的情况下，才会影响加工质量。在大多数中等速度的车床上，强迫振动常常是离谐振频率范围较远的非高频振动；这种振动并不引起处于不同方位的结合面中的间隙的改变，故不影响车床的工作性能。

3.2 减小和消除自激振动的措施

切削过程中的自激振动，既与切削过程有关，又与工艺系统的结构有关。消除、减小自激振动的最关键的问题，是减小内激振力。在工艺上有以下途径：

（1）合理地选择切削用量，其包括切削速度、进给量和背吃刀量的合理选择；

（2）合理的选择刀具的几何参数，其包括前角、主偏角、后角及刀尖圆角的选择；

（3）合理安排刀尖高低及润滑；

（4）提高工艺系统的抗振性。

4 提高工艺系统抗振性的措施

4.1 提高工件系统的抗振性

在工艺系统中，工件系统往往是易于发生振动的薄弱环节，因此提高工件系统的抗振性是十分必要的，通常可根据具体情况相应地采取下列措施：

（1）尽可能在接近加工处夹紧工件，使切削力接近夹持处；

（2）沿工件全长多夹数点，以减少在切削力作用下的变形；

（3）车削薄壁管时，管内灌水、油或砂，以提高工件系统的阻尼性能；

（4）提高轴类工件顶尖孔的质量；

（5）加工细长轴时采用中心架；

（6）采用一种能在刀具和工件间实现附加联系的装置，如车床上使用的跟刀架、跟刀架式刀夹以及浮动刀夹等。这些装置可在“刀具-工件”系统中实现力的内封闭，起了提高系统刚度、从而也间接提高抗振性的作用。

4.2 提高刀具系统的抗振性

（1）增大车刀截面，减小悬伸距，磨光车刀定位面；

（2）提高刃磨质量；

（3）装在圆柱刀杆上的刀具，要采用保证正确定心的配合。

5 结束语

车床工作时产生的振动，不仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质量，而且还会降低生产效率和刀具的耐用度。我们在加工过程中，要注意分析振动产生的原因，合理的选择机床、刀具、切削用量和装夹方式等，减少加工过程中的振动，提高加工质量。

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