筒状零件车削噪声分析与控制

　　1　引言

　　圆柱筒状零件的应用十分广泛。但在加工这类零件的过程中,易产生强烈的声辐射,形成噪声污染。可是通常人们在研究控制其加工噪声时,大多认为摩擦激励对切削噪声的影响极小[1]。这一观点却不能充分解释加工筒状零件过程中,内孔镗削较之外圆车削更易激发噪声的原因。其实,镗内孔较之车外圆,刀具后面与被加工表面更易接触,更易形成摩擦激励。因此,从这一现象出发,不同于前人的将研究重点放在切削过程的摩擦学行为上,将会寻找到控制筒状零件切削噪声的新途径。

　　本文旨在从理论上,通过分析钢筒车削噪声的形成机理,并运用摩擦学行为改善刀具—工件接触面间的摩擦情况,从而取得对切削噪声的有效控制。

　　2　理论分析

　　在一般理论中,再生效应和负阻尼是形成切削颤振的两大原因[2]。但实验表明,即使初始很光滑的表面,在加工过程中,有时切削一开始就会颤振,停止切削则颤振立即消失。至于负阻尼的作用则更站不住脚。因为切削中的较大摩擦力或切削力本身会产生很大的库仑阻尼[3],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。

　　对于一个易产生声辐射的薄壁钢筒,其切削颤振的粗略分析如图1所示。切削开始的瞬间,刀具和工件之间即有了摩擦力,此刻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示为

式中J———工件的转动惯量

　　Kθ———扭转刚度

　　F代表切削力,由两部分组成,其主要部分为稳态切削力,次要部分是与相对速度(Rφ·-z·)有关的动态切削力。库仑阻尼主要与稳态力有关。

　　大多数情况下,摩擦力是随相对速度大小而变化的。毫无疑问,F中的动态力是一种周期激励,这种激励必然导致工件—刀具系统产生周期振动。一般来讲,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。

　　因此,切削颤振主要来源于刀具—工件间的摩擦自激振动。是客观存在的,难以绝对消除。所以必定是做周期变化的。但是可以设想,摩擦副间的摩擦可以通过某些方式加以改善,从而摩擦力不受相对速度大小的影响。事实上,边界润滑方法就可产生这种效果[4,5]。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的刀痕,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。