车床的振动及控制

1 振动

车削加工过程中，工件和刀具之间常常发生强烈的振动，破坏和干扰了正常的切削加工，是一种极其有害的现象。当车床发生震动时，工件表面质量恶化，产生明显的表面振纹，工件的粗糙度增大，这时必须降低切削用量，使车床的工作效率大大降低。强烈振动时，会时车床产生崩刃现象，使切削加工过程无法进行下去。由于振动，将使车床和刀具磨损加剧，从而缩短车床和刀具的使用寿命；振动并伴随有噪音，危害工人身心健康，使工作环境恶化。车床振动可公为自由振动、强迫振动和自系振动，据测算，这三类振动分别5%，30%，65%。

当振动系统的平衡被破坏，弹性力来维持系统的振动，称为自由振动(如图1)，在外界周期性干扰力持续作用下，被迫产生的振动称为强迫振动(如图2)，由振动过程本身引起切削力周期性变化，又由这个周期性变化的切削力反过来加强和维持的振动称为自激振动(如图3)。

图1 图2

图3

2 车床振动的振源

寻找振动的来源，并加以排除或限制，是有效控制振动的途径。振源来自车床内部的，称为机内振源；来自车床外部的，称为机外振源。

由于自由振动是由切削力的突然变化或其它外力冲击引起的，可快速衰减，对车床加工过程影响非常小，可以忽略不计。

强迫振动的振源

机内振源：车床上各个电动机的振动，包括电动机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，如离和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；车床液压传动系统的压力脉动。
机外振源：其它机床、锻压设备、火车、汽车等通过地基传给车床的振动。

自激振动的振源

引起自激振动的振源主要有车削时切削量过大、主切削力的方向、车刀的几何角度的选择不当等。

3 振源分析

1）查找车床振动振源的框图，见图4。

图4 查找车床振动振源的框图

2）车床主轴箱内振源分析

一方面主轴箱中齿轮、轴承等零部件设计、制造及装配过程中存在某些不足之处，另一方面长期工作过程中使得某些零件失效，导致主轴箱在工作过程中产生了振动。齿轮在啮合时引起冲击产生频率为啮合频率的振动，主轴安装偏心所引起周期性振动；轴承的损伤所引起周期性冲击或者激发自身的各个元件以固有频率振动；以及其它因素所引起的振动。现以CA6140车床为例。对CA6140主轴箱传动系统中轴的回转频率和齿轮啮合频率进行计算和实际测量(计算过程从略)。由于主轴转速档位较多，故仅选取主轴转速为200rpm时计算主轴箱内各轴的回转频率和齿轮啮合频率，计算结论数据如表1所示；主轴前端D3182121双列向心短圆柱滚子轴的有关元件脉动频率计算结论数据如表2所示。

表1
回转
轴号理论频率(HZ)实际频率(HZ)回转频率啮合频率回转频率啮合频率Ⅰf_{Ⅰ=13f_{56=760f_{Ⅰ=14.15f_{56=792Ⅱf_{Ⅱ=19f_{38=730 f_{Ⅱ=20.8f_{38=792f_{22=423f_{22=459 Ⅲf_{Ⅲ=7.29f_{58=423 f_{Ⅲ=7.9f_{50=364.5f_{50=364.5f_{50=395Ⅳf_{Ⅳ=7.29f_{50=364.5 f_{Ⅳ=7.9f_{51=371.8f_{50=395f_{51=403.8Ⅴf_{Ⅴ=7.44f_{50=371.8 f_{Ⅴ=8f_{50=403.8f_{26=193.3f_{26=210Ⅵf_{Ⅵ=3.333f_{58=193.3f_{Ⅵ=3.6f_{58=210
表2
内圈滚道波度172.8HZ滚珠通过内圈的频率60.5HZ外圈的频率47.5HZ滚珠自转频率29.4HZ}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

3）数据分析

经过大量实践分析对比，发现主轴箱内频率为f=173HZ、f=790HZ对切削力影响很大，f=173HZ频率的振动主要是通过工件直接传输给刀架的，而f=790HZ一部分能量通过车床床身传递给刀架，一部分能量通过工件传递给刀架。

进一步对f=173HZ，f=790HZ频率所产生振动原因进行分析=计算并与表1、表2对比。得出如下结果：f=173HZ是由主轴前端的双列向心短圆柱滚子轴承的内圈滚道表面粗糙度很大所引起的，f=790HZ为轴承上齿轮(Z=56)的啮合频率，由摩擦片离合器在啮合处刚性不足造成齿轮啮合时不平稳所引起的。

通过以上分析可知，在切削过程中，f=173HZ和f=790HZ振动频率对切削力影响很大。f=173HZ是由主轴前端的双列向心短圆柱滚子轴承所引起的；f=790HZ是由轴承上的齿轮啮合时不平稳所引起的。

4 车床振动的控制

1）对强迫振动的控制

·将振源与车床隔离。设置隔振装置，将振源所产生的振动由隔振装置大部分吸收，减少振源对车削加工的干扰。挖防振沟，将车床安置在防振地基上，设置弹簧或橡皮垫减少振动。
·减少激振力。如精确平衡回转零部件，将电动机转子、皮带轮和卡盘作静平衡和动平衡试验，提高轴承装配精度。
·提高车床传动的制造精度。如将变速操纵机构中齿轮啮合的制造精度提高，可以减少因齿轮啮合传动而引起的振动。
·提高工艺系统的刚度及阻尼。车床系统刚度增加，对振动的抵抗能力提高，亦可减少振动。
·调节系统的固有频率，避免共振现象发生。
·采用减振器和阻尼器。

2）对自激振动的控制

·合理选择与切削有关的系数；
·合理选择车刀的几何参数；
·合理安排刀尖高低、润滑；
·提高工艺系统的抗振性。

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车床的振动及控制

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