车削加工表面振纹的成因及对策分析

车削加工表面振纹的成因及对策分析

秦文伟

(无锡机电高等职业技术学校，江苏无锡214028)

摘要：振纹是在机械加工中工件表面常见的一种现象，振纹的出现对工件表面的加工质量、加工精度以及一些使用性能产生了一定的影响。因而通过对车削加工中出现的各种振纹形状的成因进行分析，找出问题的根源，并提出解决方法，以消除或减少振纹的出现。

关键词:车削加工振纹振动车削自振

中图分类号：TH17文献标识码：B

作者简介：秦文伟(1974-)，男，江苏无锡人，本科，大学讲师，车工高级技师，研究方向为机械加工技术。

收稿日期：2015-03-01

Analysis of the causes and countermeasures of turning surface vibration ripples

QIN Wenwei

Abstract:Chatter is a common phenomenon in the surface of workpiece in machining, and the emergence of vibration ripples has produced certain effect on machining quality, machining precision and some performance of the surface of workpiece. Thus through the analysis of causes of various vibration pattern appearing in turning process ,this paper tries to find out the root of the problem, and proposes solutions to eliminate or reduce the occurrence of vibration ripples.

Keywords:turning processing; chatter mark; vibration; turning natural vibration

振纹是指在车削加工过程中由于各种原因出现了振动，让车刀与工件加工表面产生了位移，从而使工件的加工表面出现了波纹。振纹对工件表面的加工质量、加工精度以及一些使用性能产生了一定的影响。车削加工过程中出现的振动有机床内部的也有机床外部的，机床内部的主要有机床上各种旋转部位零件有缺陷造成的不平衡、机床齿轮皮带传动机构的不平稳、来回往复运动机构的冲击力以及切削过程中切削力的变化等。机床外部的主要是指机床附近的大型设备通过地基传导的，或者是车床本身地基的不牢靠等形成的。所以要解决车削加工工件表面的振纹问题就是要熟悉机床的各种机构的性能，对机床各个部位的零件的状况了如指掌，这样才能通过各种振纹的形状来更快的找出问题，解决问题，以消除或减少振纹的出现。

振纹的形状种类有很多，如图1所示。端面上有轮辐形状、靶形环状的，外圆表面上有斑节条形状、乱纹形状、直纹形状及阴阳形状等。下面就以常见的几种振纹的成因来进行分析和对策研究。

图1　振纹的几种形状

1轮辐状振纹的成因与解决方法

在车削加工工件端面时，端面有时会出现像轮辐形状的振纹，如图1(a)所示。使用不同材料制作的车刀车削不同材质的工件，出现振纹的清晰程度也不一样。如果用硬质合金材料制成的车刀车削45钢时，端面振纹就会从外到内慢慢变深，越来越清晰。而用高速钢材料制成的车刀车削45钢或者用硬质合金材料制成的车刀车削灰口铸铁时，端面振纹从外到内的深浅程度却基本没有变化。但是不管怎样，通过仔细研究其振纹就会发现：它的振纹条数和车削加工机床主轴上主动齿轮的齿数相同。

1.1成因分析

车削加工工件端面时，当机床主轴传动齿轮啮合出现问题时，会引起机床主轴的轴向力窜动，特别是主轴轴承的松动会加大轴向力的窜动，形成端面轮辐状振纹。由于齿轮啮合有问题，主轴在旋转时，主轴主动齿轮的每个齿在和从动齿轮啮合过程中，轴向力就会瞬间窜动一下，因此振纹的条数与主轴上主动齿轮的齿数正好相同。

在用硬质合金材料制成的车刀车削45钢端面时，车刀的轴向切削力与它切削的速度有关系，从轴向力Fx的公式得知，车刀在从外面逐步向中心车削时，工件的切削半径会越来越小，切削的速度也越来越小，而轴向切削力却变得越来越大，造成主轴的窜动也渐渐增大，使得振纹就会从外到内慢慢变深，越来越清晰。但用高速钢材料制成的车刀车削45钢或者用硬质合金材料制成的车刀车削灰口铸铁时，车刀的切削速度几乎没有对轴向切削力产生任何影响，从而使得振纹的深浅程度一样，基本不变。

这些现象可以通过车削加工实验来得以验证，而且当车削加工端面一有轮辐状振纹出现时，把主轴轴承立即进行松动，端面出现的振纹会更加清晰。

1.2解决方法

解决端面轮辐状振纹的方法其实很简单：根据齿轮间的啮合情况，要么修整更换主轴上的主动齿轮，要么修整更换与之相啮合的从动齿轮，来改善齿轮之间的啮合环境，振纹就可以得到改善甚至消失。当然有时在改变切削要素如切削速度，进给量，背吃刀量时也会使振纹得到改善。

2靶形环状振纹的成因与解决方法

车削加工端面时，经常会出现另一种像靶子一样环形的振纹，如图1(b)所示。通过仔细研究其振纹就会发现：它的每条振纹之间的间距是一样的，而且与中滑板手柄进给的丝杆的螺距是一样的或者有时呈倍数出现。

2.1成因分析

靶形环状振纹的出现，是因为中滑板丝杆在横向进给时进给速度不均匀，导致车刀的切削力不一致，引起切削工件端面时车刀的振动和主轴轴向力的窜动。

2.2解决方法

使中滑板丝杆进给速度均匀的制约因素很多，如丝杆变形，燕尾槽不平整，丝杆螺母配合不理想等都有可能造成，所以要解决靶形环状振纹的问题就要调整中滑板，让其移动平稳，车削均匀。

首先检测中滑板丝杆的直线度和同轴度是否符合要求，一般应该小于0.05 mm。同时检测螺纹的加工精度是否符合要求，丝杆螺母配作时配合间隙有没有达到要求(应在0.2 mm~0.3 mm左右)，如不符合要求要进行更换修整。然后检测中滑板的燕尾导轨面及燕尾槽是否平整，特别是燕尾槽的直线度与平面度是否在要求范围内(<0.02/1 000 mm), 如不符合要求要进行铲刮修整以符合使用要求。最后在装配时，要调整好丝杆和配合螺母的同轴度，保证丝杆的轴线与燕尾导轨面平行。调整好中滑板塞铁和配合螺母上的螺钉，使中滑板移动松紧得当，移动均匀。

3斑节条状振纹的成因与解决方法

车削加工外圆表面时，有时会在外圆表面上出现斑节条形状的振纹，如图1(c)所示。通过仔细研究其振纹就会发现：它的每条振纹之间的间距是一样的，而且与导轨面下齿条的螺距和大滑板溜板箱里与齿条啮合的传动齿轮的齿距是一样的或者有时呈倍数出现。

3.1成因分析

从车削过程来看，外圆表面上出现斑节条形状的振纹是由于大滑板溜板箱里的传动齿轮与导轨面下的齿条啮合不稳定，导致大滑板纵向进给时进给速度不均匀，车刀的切削力不一致，从而引起车削工件表面时车刀的振动形成的。一般形成的斑节条形状的振纹有三种情况：平行形斑节条状振纹、倾斜形斑节条状振纹、交叉形斑节条状振纹。

3.2解决方法

根据外圆表面出现斑节条状振纹的情况来具体采用不同的解决方法：当出现平行形的斑节条状振纹时，一般应检查大滑板溜板箱的位置是否出现位移，通过调整使传动齿轮与导轨面下齿条完全啮合。同时检查由于齿条与传动齿轮的制造精度不高造成的齿形是否变形，需要更换时就更换齿条和传动齿轮；当出现倾斜形的斑节条状振纹时，应检查溜板箱传动齿轮与齿条的啮合是否完整，通过修整大滑板溜板箱的接触面以及齿条，使其完全啮合。还应检查齿条是否出现磨损，及时修整或更换齿条；当出现交叉形的斑节条状振纹时，也是检查大滑板溜板箱的位置是否出现位移，溜板箱传动齿轮与齿条的啮合是否完整并进行修整更换。为了彻底解决斑节条状振纹的问题，最后还应检查车削机床的操纵杆、丝杆、光杆三杆的直线度，与溜板箱孔的同轴度等，以免影响大滑板摇动进给时齿条与传动齿轮的接触。

4车削自振振纹的成因与解决方法

振纹的出现除了有机床零部件的加工精度、加工质量问题或者是机床主轴传动系统和溜板箱进给系统出现装配问题、机械故障引起的，还有就是车刀的车削自振引起的。车削自振振纹的形状形态各异，与上述振纹形状不尽相同，需要仔细辨别。

4.1成因分析

车刀的车削自振振纹与车削加工过程是密不可分的，在车削加工过程中，因为切削力的变化，引起车刀的振动，使车刀与加工工件产生位移，在工件的加工表面形成振纹。当继续车削第二刀时，车刀在有振纹的加工表面上再次进行车削，引起了车刀背吃刀量及切削力的变化，此时又引起了车刀的振动，使工件的加工表面留下了新的振纹，一次一次的轮回在工件加工表面形成了车削自振振纹。

4.2解决方法

解决车削自振振纹的方法有以下几点：①在车削加工时应选用合理的转速，适当的进给量及适量的背吃刀量，避免高转速与大的背吃刀量同时出现，而应根据粗精车加工的定义进行合适的切削用量选择，避免车削自振引起的振纹。②根据加工材料的不同选用加工刀具，同时车刀的几何角度对切削力的变化也影响很大，要合理选用和刃磨。如在一般情况下，车刀的前角越大，车削自振会越少，振纹也会改善。又如背吃刀量和车刀进给量在保持不变的情况下，增大车刀的主偏角，会发现车刀振动引起的振纹也会减小。所以在工件的车削加工过程中，一般采用主偏角90~93°的车刀进行细长轴的车削，以防止车削自振引起的振纹。③加工工件与车刀的装夹也是影响车削自振振纹的因素，工件应尽量夹紧，装夹的长度在加工图纸的范围内尽量伸的短一些，车刀也是如此。如在车槽时，装夹尽量采用一夹一顶，并且车的槽宽要靠近主轴卡盘，车槽刀也不应伸的太长，以避免车削自振引起的振纹。

总之，一般在车削过程中工件表面振纹出现的原因是很复杂的，大都是各种因素综合在一起的，检查出来也比较麻烦。但一定沉着冷静分析，对各种振纹形态要抽丝剥茧，寻找根本原因，同时也要掌握常见振纹的处理方法，如外圆表面乱形振纹, 如图1(d)所示：是因为机床主轴的推力轴承磨损，推力轴承的间隙增大或者损坏，导致主轴松动出现轴向位移引起的；外圆表面直纹形振纹，如图1(e)所示：是由于机床主轴传动系统的冲击振动引起主轴传动系统传动不稳定，致使主轴转动过程中发生周期性晃动而形成的。而阴阳面形振纹，如图1(f)所示：则是主轴传动系统在某处有缺陷导致主轴在旋转时在某一相位上出现振动，造成机床主轴旋转精度误差形成的。所以在实际操作解决表面振纹的过程中要积累经验，总结经验，寻求解决表面振纹的规律，以求能更好更快的解决表面振纹问题。

参考文献

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