高中庸 高尚晗 李 定 广西工学院机械工程系柳州 545006

开始就会颤振 停止切削则颤振立即消失 至于摩擦负阻
尼作用则更站不住脚 因为切削中的较大摩擦力本身会产 生很大的库仑阻尼[2] 负阻尼即使存在 其作用较之库仑
正阻尼完全可以忽略不计 对于一个易于形成声辐射的薄壁钢筒 其切削颤振可从图 1 中作出粗略分析 切削一开始 刀具和工件之间就有摩擦力
图 1 钢筒切削示意图
库仑阻尼主要与稳态力有关
在大多数情况下 摩擦力随相对速度大小而变化 毫无疑问 F Rϕ& − z& 中的动态力 是一种周期激励 这种激励必然导致工件 刀具系统的周期振动 一般 ϕ&的周期就是钢筒
的扭振周期 所以激励的频率就是系统本身的某阶固频 由此分析可知 切削颤振的本质就 是工件系统的共振
可见 切削颤振主要来源于刀具 工件间的摩擦自激振动 ϕ&&和&z&是客观存在的 难以 绝对消除 因此 Rϕ&− z& 必定是周期变化的而无法回避 但是可以设想 摩擦副间的摩擦
当然 机械加工中的噪声问题由来已久 之所以长期未能有效控制 不是人们不重视 实在是控制的难度太大 本文旨在从理论上的一个方面分析切削加工噪声的形成机理 并通 过摩擦学行为改善刀具 工件接触面间的摩擦状态 从而寻求控制切削噪声的途径
１ 理论分析
一般认为再生效应和摩擦负阻尼是形成切削颤振的两
大原因[1] 实验表明 即使初始表面很光滑 有时切削一
1 号与 2 号油无显著降噪效果在于油液与刀片表面几乎不发生任何反应 无法形成可靠 油膜 刀片温度升高 其油液即迅速失效 3 号与 4 号油液则不同 油中的添加剂成分易使 油液在刀片上形成结合较紧密的化学反应膜 这种油膜有两大作用 首先是降低了切削时的 摩擦力 其次是改变了工件刀具间的摩擦性质 它使摩擦副间的摩擦力基本不随相对速度大
４ 结论
多轮次的切削实验证实 摩擦自激振动是导致切削颤振的最主要原因 通过特殊的边界润滑技术或表面工程改善刀具 工件摩擦副间的摩擦学性质 使其摩擦 力不随相对速度大小而变化 就可以有效地消除切削过程中的颤振和噪声 降低切削力 减 少能源消耗 提高刀具和设备使用寿命 实验结果显示 采用边界油膜润滑以控制切削颤振不失为一种好的方法 有推广应用的 价值 当然 消除切削颤振的边界润滑技术还有待进一步完善 这是因为其油膜的使用寿命 还不太高 今后还有待从刀具结构上做文章 使边界油膜的补充与修复实现自动化或半自动 化 所以 对这种边界润滑方式进行深入的研究是十分必要的 其重点应该放在新的边界润 滑剂的研制与评价 以及提高边界润滑油膜的使用寿命上
切削加工中的摩擦自激颤振分析与控制*
高中庸 高尚晗 李 定
广西工学院机械工程系 柳州 545006
摘要 介绍了柳州机械加工噪声的现状 从理论上分析了刀具 工件间的摩擦对系统振动及其 噪声所起的重要作用 据此提出了控制切削加工自激振动与噪声的措施 实验中采用边界润滑 方法 获得了消除工件切削振纹及噪声的重要结果 关键词 切削颤振 边界润滑 噪声控制
3 号与 4 号油液的降噪效果明显 特别是 4 号油液可将切削噪声完全消除 因为此时所
记录的是机床的本底噪声值 切削声低于机床空转声而无法记录 这两种油的节能与降噪效 果可维持到 30s 以上 之后继续补涂一次油液 良好的效果能维持一分钟以上
频谱分析结果表明 敲击激发钢筒按其固有频率振动 其峰值频率主要为 450 480Hz 而切削噪声峰值主要为 455 540Hz 两者非常接近 这就进一步证实了切削颤振也是一种 受迫共振 当然 敲击并不单纯激起钢筒的扭振 还有径向振动成分 这就是为什么图 2 与图 3 在频谱值上存在差异的原因
状态可以通过某些方式加以改善 从而使其间的摩擦力不受相对速度大小的影响 事实上 某些边界润滑方法就可产生这种效果[3 4] 至此可以推论 只要摩擦副间的摩擦力不随相对
速度大小而变 即使工件表面曾留下很深的规则或不规则刀痕 再次进刀也不会在钢筒等类 零件切削时形成任何再生颤振
2 实验方法与结果
２．１ 实验条件
参考文献
1 上海市大专院校机械制造工艺学协作组编.机械制造工艺学.福州 福建科学技术出版社 1985 2 S.铁摩辛柯等著. 工程中的振动问题. 胡人礼译.北京 人民铁道出版社 1978 3 高中庸.钢轨矫直时的噪声防治.钢铁 1988 23 9 59 62 4 高中庸.爬行试验机的改进与爬行试验研究.制造技术与机床 1994 7 25 29
实验设备
C6140 普通车床
实验用工件
外径 内径 长度 160 148 280 45 钢钢筒
切削实验用刀片 YT15 不重磨机夹式刀片
测试仪器
ND2 精密声级计 磁带录音机 FFT 多通道快速分析仪 三向测力
仪 表面粗糙度比较样块
２．２ 实验方法
在车床上用三爪卡盘夹持钢筒 采用磨损量较大的旧刀片 并有意修磨副后面 使其与
x =590 Hz y =0.258 V
尽管车削实验前工件毛坯表面原始精度较高 基本排除了再生效应的影响 但每轮用旧 刀片干式车削时 刀具一接触工件 颤振随即发生 噪声高达 94dB(A)以上 充分反映了摩 擦效应的影响
将 1 号和 2 号润滑油涂于刀面 虽然切削力有所下降 但噪声降低幅度小 表面粗糙度 几乎没有提高 特别要指出的是 这两种油液维持润滑的时间不足 10s 之后 切削力又恢 复成原状 即使随后往刀片上补充油液也无明显改善效果
０ 前言
柳州机械制造业中的噪声污染相当严重 多数企业机加工车间的噪声都超过环保标准 如 柳州钢圈厂加工车间的噪声超过 115dB(A) 柳州汽车厂桥壳镗削时的噪声超过 110dB(A) 柳州商业机械厂缸套车间切削噪声超过 105dB(A) 柳州工程机械厂和空压机总 厂的大型设备切削噪声都不低于 100 dB(A) 这种噪声必定伴随工艺系统的振动 刀 工 具的加速磨损 导致产品表面质量的降低和生产效率的下降 影响机床设备的寿命 人们长 期在噪声环境下工作 除听力必定受损外 还会诱发高血压和心血管系统疾病 控制机械加 工噪声不仅直接保护工人健康 而且可以提高产品质量 减少能源和材料消耗 延长机器设 备使用寿命
作者简介 高中庸 男 １９４４ 年生 工学硕士 教授 研究方向为机械设计及理论 机械振动与噪声控制 发表论文 ５０ 余篇 现为广西工学院机械工程系系主任
联系人 高中庸 联系地址 广西 柳州 广西工学院 联系电话 ０７７２－２６８７００７ Ｏ ０７７２ ２６８５２７１ Ｈ
x =155 Hz y =0.186 V 2 KHz
y
0
３ 分析与讨论
图 3 钢筒切削声频谱
x =455 Hz y =0.418 V
x =500 Hz y =0.387 V
x =510 Hz y =0.363 V
x =520 Hz y =0.350 V
x =540 Hz y =0.324 V
x 2 KHz
下空转时的本底噪声为 84dB(A)
图 2 和图 3 分别给出了钢筒切削前后的敲击声与切削噪声的频谱分析结果
表 １ 五种润滑液的 和 值
油号
基础油成分
1
N46 机油
0.172
2
68 抗磨油
0.130
3
N46 机油+添加剂 T1
0.0910
4
N68 机油+添加剂 T2
0.0588
5
N68 机油+两种添加剂
小而变化 在这种情况下 式 1 中的力 F Rϕ& − z& 项基本只有稳态切削力成分 而动
态切削力几乎为 0 因此自激振动无法形成 噪声可得到彻底的抑制 同时 切削力也因这 种油膜的存在而减小 特别是 4 号油液用做边界润滑 所取得的消噪与节能效果是最好的 而且其表面粗糙精度得到很大的提高 特别值得一提的是 在刀片表面涂抹了 4 号油液后 即使工件毛坯表面预留了规则的振纹 也不会激发出任何再生颤振
面 然后用热风将刀片吹干 以便进行新一轮的切削实验
为便于与噪声谱率成分作比较 在切削开始前 敲击钢筒并录音 然后一并用 FFT 快
速分析仪进行频谱分析
２．３ 实验结果
所使用的五种润滑液都事先在 XM 2 型摩擦系数测定仪上测定过摩擦因数 以及静
动摩擦因数差
其结果见表 1 五轮切削实验数据的平均值见表 2 车床在 210r/m 条件
0.0694
实验 轮序
1 2 3 4 5
表 ２ 五轮切削实验结果
Z 向切削力 N
切削噪声 dB(A)
干切削
边界润滑
干切削
边界润滑
558.6 568.4
498.3
94.4
92
473.2
95.3
90
549.4
428.5
102.1
93
538.7
356.7
104.8
84
539.0
483.2
94.8
89
y
始前将某种润滑油涂抹于刀片表面上 切削过程中一般不再涂油或仅涂 1 2 次 用作边界
润滑的油液共五种 分别是 N46 普通机械油 68 抗磨液压油和另外三种自行配制的油液
分别用 1 号 5 号表示之
切削中 分别用声级计记录噪声分贝值 录音机记录噪声 同时从三向测力仪读出 z
向切削力
为了消除残存润滑液的影响 每次切削后都要用丙酮和无水酒精仔细浸润和清洗刀片表
已加工表面有更多的接触 钢筒是声辐射能力较强的构件 刀片副后面与已加工表面较多接
触 可使刀具 工件间摩擦力增大 易于形成较强烈摩擦自激振动 产生较大噪声
实验时的切削用量为 转速 210r/m 切削深度 1.5mm 进给量 0.0464mm/r 先后进行
了五轮实验 每轮实验分别进行干切削和边界润滑切削 所谓边界润滑切削 就是在切削开
x 0
图 2 钢筒敲击声频谱
0.0493 0.0328 0.0270 0.0081 0.0298
表面粗糙度
干切削
边界润滑
/
/
/
/
6.3
3.2
12.5
1.6
/
/
x =470 Hz y=0.414 V x=445 Hz y =0.415 V x =460 Hz y =0.257 V x =480 Hz y =0.241 V x =435 Hz y =0.197 V
切削开始瞬间的切削力使工件和刀具发生初始振动 设工件以扭振为主 刀具以 Z 向振动 为主 如图 1 所示 工件的振动微分方程可表为
Jϕ&&+ kθϕ = RF Rϕ&− z&
1
式中
J 工件的转动惯量
K 扭转刚度
F Rϕ& − z&
切削力
*广西自然科学基金资助项目 桂科自 0146003
切削力 F Rϕ& − z& 由两部分组成 其主要部分为稳态切削力 次要部分是主要与相对 速度 Rϕ&− z& 有关的动态切削力