數控機床振動原因分析

數控機床在工作時產生振動，會直接影響到工件的加工品質，產生明顯的表面振紋，粗糙度增大，工件表面品質惡化。振動嚴重時，甚至使切削加工無法繼續進行，振動中產生的噪聲，還將危害到操作者的身體健康。因此，我們應該了解數控車床產生振動的原因，掌握其中規律，并加以限制或消除。

1 振動理論分析

振動一般分為3種：即自由振動、強迫振動和自激振動。

1.1 自由振動

自由振動是物體受到初始激勵(通常是一個脈沖)所引發的一種振動。這種振動靠初始激勵，一次性獲得振動能量，歷程有限，一般不會對數控車床造成破壞。所以一般不考慮自由振動對數控車床的影響。

1.2 強迫振動

物體在持續周期變化的外力作用下產生的振動，稱為強迫振動，如不平衡、不對中所引起的振動。強迫振動的力學模型如圖1所示。

圖1強迫振動力學模型

其運動方程為

這是一個二階常系數線性非齊次微分方程，其解由通解和特解兩項組成，即：

如圖2所示，衰減自由振動隨時間的推移迅速消失，而強迫振動則不受阻尼的影響，是一種和激振力同頻率的振動。由此可見，強迫振動過程，不僅與激振力的性質(激振頻率和振幅)有關，而且與物體的自身固有的特性(質量、彈性剛度、阻尼)有關，這就是強迫振動的特點。

圖2強迫振時間波形

1.3 自激振動

自激振動是在沒有外力作用下，由系統自身原因所產生的激勵而引起的振動。自激振動是一種比較危險的振動，設備一旦發生自激振動，會使設備運行失去穩定性。

2 強迫振動的產生原因及解決方法

2.1 主要原因

(1)旋轉零件質量偏心產生的離心力;

(2)運動傳遞過程中傳遞零件誤差;

(3)切削過程中的間隙特性。

2.2 解決方法

(1)減少激振力。如精確平衡回轉零部件，將電機轉子、皮帶輪和卡盤作靜平衡試驗，以提高裝配精度。

(2)提高工藝系統的剛度及阻尼。車床系統剛度和系統阻尼增加，可提高對振動的抵抗能力，亦可減少振動。

(3)調節系統固有頻率，避免共振的產生。在選擇轉速時，盡可能使旋轉工件的頻率遠離機床有關原件的固有頻率，避開共振區。

(4)采用減振器或阻尼器。當上述方法無效時，可考慮使用阻尼器或減振器。

3 自激振動產生的原因及解決方法

3.1 產生原因

在機械加工過程中，自激振動是由振動過程本身引起某種切削力的周期性變化，又由這個周期性變化的切削力，反過來加強和維持振動，是振動系統補充了由阻尼作用消耗的能量。當振動運動停止時，該交變力也就消失了。這種在金屬切削過程中的自激振動，一般稱為切削顫振。

特別指出，自激振動發生的幾率遠遠高于強迫振動。切削相對振動會降低工件已加工的表面品質，并影響刀具乃至機床的使用壽命。尤其現在高精度的數控車床的大量使用，由數控車床所保證的工件的高精度等指標，將會在顫振發生時變得毫無意義。

3.2 解決方法

3.2.1 提高系統或夾具與工件的靜態剛性

(1)安裝刀具時選取合適的中心高。車削內孔槽時，刀尖點理論上要求與孔的中心線一致，但實際上在安裝刀具時刀尖點往往在中心線偏上0.1 mm左右，這主要是刀具在切削時，刀尖點由于受到反作用往往下偏移，因此要給其一個補償量。

(2)盡可能縮短刀桿的懸伸量以提高刀具的剛性。當刀桿受力時，會產生彎曲，會引發振動，且懸長越長，振動加劇。一般情況下，刀具伸出的長度不宜超過刀桿長度的2-3倍，這樣可以大大提高細長刀桿的抗彎強度。

3.2.2 合理選擇刀具的幾何參數

刀具的幾何參數主要有：刀具的前角、主偏角、后角等。前角對振動的影響較大，隨著前角的增大，振動幅度也會隨之下降。但在切削速度較高時，前角對振動的影響將減弱。所以，高速切削時，即使用負前角的刀具，也不致產生強烈的振動。如果是主偏角增大，切削力將會減少，同時切削寬度也減小。隨著主偏角的增大，振動幅度逐漸減小，但當角度大于90°后，振動的幅度又會有所增大。對于后角的選擇，可減小到2°~3°，此時振動有明顯的減弱。也可以在刀具主后角上，磨出一段負倒棱角，能起到很好的消振作用。

3.2.3 提高工件系統的抗振性

提高工藝系統的抗振性，是控制和預防自激振動的重要措施之一。在工藝系統中，工件系統往往是易于發生振動的薄弱環節，因此提高工件系統的抗振性，是非常必要的。

(1)盡可能在接近加工處夾緊工件，使切削力接近工件夾持處，減少切削力矩;

(2)沿工件全長多夾幾點，以減少工件在切削力作用下變形;

(3)車削薄壁管時，管內灌水、油、石蠟或裝砂，以提高工件系統的阻尼性能;

(4)提高軸類工件頂尖孔的質量;

(5)加工細長軸時采用中心架;

(6)采用一種能在刀具和工件之間實現附加聯系的裝置，如使用跟刀架、跟刀架式刀夾以及浮動刀夾，用于鏜刀桿的跟刀架式支撐，這些裝置將明顯提高系統的剛度和抗振性。

4 結束語

本文對數控機床過程中產生的振動原因和基本規律進行了分析，聯系在實際工作中碰到切削問題，進行具體分析，抓住主要矛盾，采取有效的減振措施，可使切削加工中的振動現象明顯減小，大大提高工件的表面品質和機床刀具的工藝能力。但是要完全消除振動現象，還需要進一步深入研究振動機理、尋找產生振動的原因及消除措施?？傊?，減小振動的方法和措施是多方面的，必須要具體分析。