引言
振动是指某一物体在其平衡位置附近做往复循环运动的现象，特别是在机械加工领域，这是比较常见的一种运动方式。振动在机械加工过程中是一把双刃剑，有些振动现象会产生不利的影响，如在机械加工过程中振动会使得加工制件发生变形，影响加工制件的尺寸精度，甚至会导致制件的报废、机械设备的毁坏。众所周知，整个加工工艺包括不同的工序，每一道工序由于振动产生的误差都会不同程度的进行累积，影响最终制件的加工质量。同时，振动对于机械设备和配套的刀具也会产生有害影响，降低设备和刀具的使用寿命，影响设备的加工效率等。因此，通过对车削加工中振动现象的分析，并针对振动出现的原因，采取一定的控制措施，以此来将振动对加工制品质量的不利影响降到最小。
一、车削加工中振动的主要形式
振动在车削加工过程中普遍存在，按照振动形成的诱因可以将车削加工中的振动分为自由振动、强迫振动以及自激振动三种形式，其中自激振动所占比例最大，约占所有振动现象的65%，而自由振动出现的比例最小，只有5%。
（1）自由振动
自由振动是一种由于原材料硬度不同、制件的形状尺寸要求不同、加工余量不同等偶发性原因引发的车削加工切削力的陡然变化，破坏了车削系统的平衡而引发的振动现象。自由振动的出现对于车削加工过程影响相对较小，通过控制外力冲击、校准机械加工设备、调整车削加工操作工艺参数等外界干扰因素，可以使得自由振动在车削加工过程中迅速衰减甚至避免，从而将机械加工过程自由振动的有害影响降低。
（2）强迫振动
强迫振动是一种在车削加工过程中存在的内部自生或者外部施加的周期性干扰力产生的持续性作用诱发的振动现象。其中强迫振动的干扰力多与车削加工过程没有关系，且强迫振动并不会由于振动发生时间的延长而自然衰减。强迫振动的频率由造成振动发生干扰力的频率决定，与车削加工系统的固有频率没有关系。而强迫振动的振幅与干扰力的大小、车削加工系统的刚度等有关。
（3）自激振动
自激振动属于一种系统反馈振动，在车削加工过程中的振动导致系统的切削力发生周期性变化诱发的干扰力，反作用于系统使得车削加工过程中的振动进一步加强，并周期性地维持下去。自激振动与外界干扰因素没有关系，当切削发生振动时，自激振动就会出现，而当切削停止，自激振动立即停止。自激振动的频率与系统的固有频率有关，其中由于工件变形引起的自激振动为低频振动，由于刀具变形引起的自激振动为高频振动。当车削加工系统由于变形等原因获得干扰能量足够大时，就会使得自激振动持续性发生，且不会因为系统阻尼而自然衰减。自激振动会产生噪音，同时也会对加工制件的表面产生不利影响，影响制件的表面质量和加工精度。
二、车削加工中振动诱因分析
前文所述，车削加工过程中存在三种振动形式，每种振动形式产生的原因各不相同。自由振动是由于一些偶发性自然因素引起的振动现象，包括加工原材料的硬度、加工制件的尺寸形状以及加工余量的设计不同，都会产生一些外界的干扰力，使得系统产生自由振动。这些自由振动会因为系统的阻尼逐渐消减。强迫振动则是外界直接施加的冲击力导致系统出现的周期性持续性的振动，这些外界冲击包括系统附近的设备干扰、系统设备的疲劳使用缺陷等造成的冲击力。自激振动是最主要的振动形式，其主要原因包括车削加工过程中工件变形、车床设备劳损以及刀具变形等，其中工件变形和设备变形引起的是低频振动，而刀具变形引起的是高频振动。低频振动中工件和设备发生周期性的振出和振入现象。当工件正常运动时，切削过程中的切削力与工件的弹性恢复力大小相等、方向相反。当工件发生振出运动时，切削力的作用相对较大，使得切削力的分量F振出与工件进给的方向相同，使得振动系统吸收一部分能量并存储起来。当工件发生振入运动时，切削力的作用力相对较小，使得切削力的分量F振入与工件进给的方向相反，使得振动系统消耗一部分能量。当切削力周期性地发生变化，就会出现切削分力的变化而导致F振出＞F振入，使得工件获得输入的周期性能量而发生自激低频运动。高频振动中刀具的刀面与工件的切屑之间不可避免的产生摩擦。但是随着切削的进行，刀具的温度和刚度都会发生变化，使得切削力随着切削速度的变化而改变，而出现F振出＞F振入，进而使得车削系统出现高频的自激振动。
三、车削加工过程中振动控制措施
车削加工过程中的振动不可避免，但是通过采取一定的控制措施，可以将振动的不良影响降到最低。前文所述，车削加工过程中的振动主要与车削系统的刚度以及切削加工过程有关，因此可以从这方面进行加工细节的控制和优化。
在低频振动时，通过降低切削分力的措施可以使得振动减弱或者消失。试验表明，在一定的切削速度范围内比较容易出现振动，因此在车削加工过程中就可以选择合适的切削速度，从而避免振动的发生。同时加工余量较小时会导致切削分力的急剧变化而引发振动，因此在切削设计过程中应尽量切削宽而薄的切屑，根据制件的最终尺寸，适当地增加加工余量，来避免振动的出现。如果车削加工系统的刚度性能较好且系统的工作效率较高，而制件的尺寸精度要求相对较低，通过增加原材料的进给量或者增加切削刀次，也可以降低振动出现的频率。适当增大刀具前角能够降低切削分力，也能起到降低振动的出现。当材料进给量和切削深度不可改变的情况下，刀具的主偏角增大会也会降低切削分力，从而消除或者减少振动的发生。而刀具后角也不宜过大，因为刀具切入深度过深也容易产生工件振动。特别的，如果刀架系统有负刚度，也容易出现刀具与工件的咬合抱死出现振动。因此在系统的设置过程中应避免刀架系统的负刚度。
在高频振动时，由于刀具的振动频率较高，会使得车削系统发出刺耳的噪音，并会在工件的表面形成不同的振动痕迹，影响工件的表面粗糙度和加工质量。在高频振动过程中，刀具高频振动，而工件和刀架相对稳定。高频振动需要采取一定的针对性控制措施，降低刀具与工件之间的摩擦，降低切削分力，从而消除或者减小高频振动。采用刚度较高的刀具材料或刀架材料，提高切削系统的抗弯刚度，减少振动。装置刀具时，应该避免弯矩的累积误差，紧固时也要适当用力，从而降低刀具在切削过程中出现受力不平衡的问题。对于长期使用的刀具，应该及时检查并更换新的刀具。同时，可以适当降低刀架的长度，减少弯矩的产生。还可以引入一些减振的设备，通过外界阻尼降低或者消除车削系统的振动。
四、结束语
振动是车削加工过程中比较普遍的一种现象，振动无论是对车削加工设备还是加工制件的质量都会产生重要的影响，特别是会降低加工制件的表面粗糙度和最终的加工精度。通过分析自由振动、强迫振动及自激振动三种振动形式的发生诱因，对车削加工过程中振动的控制措施进行了详细的分析和探索，为车削加工安全、高效的进行提供参考。
参考文献
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