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機(jī)械加工中振動(dòng)對(duì)工件的影響

2020-3-17 來(lái)源：遼陽(yáng)縣中等職業(yè)技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)校作者：徐延輝

摘要：本文探討了機(jī)械加工過(guò)程中振動(dòng)對(duì)工件的影響。首先闡述了加工振動(dòng)產(chǎn)生的原因以及相關(guān)特性；然后采用理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，分析了加工振動(dòng)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，不同頻率的加工振動(dòng)會(huì)使加工表面呈現(xiàn)不同的各向狀態(tài)，即若加工振動(dòng)的頻率為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的整數(shù)倍時(shí)，振動(dòng)的影響主要在徑向方向上；若加工振動(dòng)的頻率不是整數(shù)倍時(shí)，加工振動(dòng)對(duì)工件的各向影響都比較大。

關(guān)鍵詞：加工振動(dòng)；刀具；工件；表面質(zhì)量

在各種科技技術(shù)飛速更新的現(xiàn)代社會(huì)中，相應(yīng)的機(jī)加工要求以及水平越來(lái)越高。但是在機(jī)加工的過(guò)程中因?yàn)榧庸ふ駝?dòng)的出現(xiàn)，會(huì)使相應(yīng)的機(jī)械加工精度以及相應(yīng)工件精度受到影響，在實(shí)際加工中，工具與待加工工件之間的運(yùn)動(dòng)具有一定周期性，其中加工振動(dòng)是不可忽視的。這種振動(dòng)的存在對(duì)于工件是一個(gè)嚴(yán)重的危害，在很大程度上影響著工件精度，并且也對(duì)實(shí)際生產(chǎn)效率有著負(fù)面影響。研究這種加工振動(dòng)以及分析對(duì)于工件的具體影響對(duì)提高加工精度是很有幫助的。

1 、機(jī)械加工中加工振動(dòng)產(chǎn)生的原因以及相關(guān)特性

根據(jù)在實(shí)際加工生產(chǎn)中的加工振動(dòng)的相關(guān)特性可以將機(jī)械加工中的加工振動(dòng)分成自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)以及自激振動(dòng)。

其中自由振動(dòng)是由于加工系統(tǒng)在初始綜合擾動(dòng)力的作用下系統(tǒng)的初始平衡受到破壞失衡，在自身彈力的作用下有恢復(fù)以前狀態(tài)的趨勢(shì)，在擾動(dòng)力以及自身彈性力綜合作用下發(fā)生加工振動(dòng)。

強(qiáng)迫振動(dòng)是受到外界強(qiáng)烈擾動(dòng)以后發(fā)生的因?yàn)橥饨鐢_動(dòng)力而產(chǎn)生的加工振動(dòng)，而自激振動(dòng)顧名思義是因?yàn)榧庸は到y(tǒng)自身各種應(yīng)變力引起的在加工過(guò)程中一直存在的加工振動(dòng)。

1.1 自由振動(dòng)產(chǎn)生的相關(guān)原因

在實(shí)際的機(jī)加工過(guò)程中，自由振動(dòng)是一種普遍存在的加工振動(dòng)形式，同時(shí)也是機(jī)加工振動(dòng)中形式最簡(jiǎn)單的一種，在相關(guān)振動(dòng)中占比只有 6%左右［1］。這種振動(dòng)產(chǎn)生的原因主要有以下幾個(gè)因素造成：第一是在相關(guān)機(jī)械設(shè)備工作時(shí)如果相關(guān)加工切削力發(fā)生突變，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的自由振動(dòng)。第二就是在相關(guān)設(shè)備工作時(shí)如果外界環(huán)境突然出現(xiàn)沖擊力，也會(huì)造成一定振動(dòng)。如果這些加工中出現(xiàn)的自由振動(dòng)在沒(méi)有持續(xù)相關(guān)能源為其提供能量維持相應(yīng)振動(dòng)，則這種自由振動(dòng)就慢慢衰減直至泯沒(méi)，所以這種自由振動(dòng)對(duì)實(shí)際的加工的工件影響較弱。

1.2 強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的相關(guān)原因

在實(shí)際的機(jī)加工過(guò)程中，強(qiáng)迫振動(dòng)在磨削加工中的存在最為普遍，也是機(jī)械加工中振動(dòng)的主要存在形式［2］。根據(jù)它形成的原因可以分為內(nèi)因振動(dòng)以及外因振動(dòng)。其中內(nèi)因振動(dòng)又是強(qiáng)迫振動(dòng)中的主要存在形式，歸納總結(jié)有以下幾個(gè)內(nèi)因：第一機(jī)械加工的相關(guān)設(shè)備自身的不平衡性在加工過(guò)程中形成的離心不穩(wěn)定周期作用力，這種情況一般存在于相應(yīng)設(shè)備回轉(zhuǎn)部件高度運(yùn)動(dòng)的不平衡狀態(tài)中；第二是因?yàn)樵谙嚓P(guān)加工設(shè)備的變速部件或者加工動(dòng)力傳輸中，因?yàn)橄嚓P(guān)部件的間隙或者其它相關(guān)缺陷，產(chǎn)生的持續(xù)性周期作用力引起的相關(guān)振動(dòng)。這種振動(dòng)在相關(guān)軸承安裝精度損壞的情況下振動(dòng)尤為突出，對(duì)加工精度以及相關(guān)工件的質(zhì)量有很大損害；第三是因?yàn)橄嚓P(guān)機(jī)械工作過(guò)程中的加工不均勻性引起的。響應(yīng)的外部因素引起的振動(dòng)就主要是因?yàn)榄h(huán)境因素中的各種震動(dòng)因素引起的相關(guān)機(jī)械設(shè)備在工作中的振動(dòng)，因?yàn)樵诂F(xiàn)代工廠(chǎng)中有很多智能大型機(jī)械，它們工作時(shí)勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生各種震動(dòng)，其中壓力機(jī)產(chǎn)生的震動(dòng)影響最為突出，為了降低這種加工振動(dòng)通常可以對(duì)相

關(guān)環(huán)境進(jìn)行一定隔震處理。

1.3 自激振動(dòng)產(chǎn)生的相關(guān)原因

自激振動(dòng)因?yàn)檫@種加工振動(dòng)的產(chǎn)生主要是因?yàn)楦鞣N相關(guān)機(jī)械的自身因素引起的，因此在各種加工機(jī)械中都會(huì)有相應(yīng)存在，尤其是在精密加工中這種加工振動(dòng)的危害最為明顯。自激振動(dòng)使相關(guān)設(shè)備在工作時(shí)因?yàn)樽陨碚駝?dòng)而使其相關(guān)加工工件也處于交替周期的振動(dòng)中［3］。這種振動(dòng)形式在低端設(shè)備中存在最為明顯。這種振動(dòng)主要有以下幾種特點(diǎn)：第一是這種振動(dòng)的震動(dòng)頻率與相關(guān)系統(tǒng)的固有頻率接近；第二就是因?yàn)檫@種振動(dòng)的成因主要是自身因素引起的，因此這種振動(dòng)的振幅主要決定于其系統(tǒng)自身的阻尼能量損耗以及在其他方面接受到的能源綜合影響；第三個(gè)就是因?yàn)檫@種振動(dòng)是自身因素引起的所以會(huì)一直存在于整個(gè)加工工作中，對(duì)于要加工精密零件來(lái)說(shuō)是噩夢(mèng)。

2 、機(jī)工中的加工振動(dòng)對(duì)工件表面質(zhì)量的影響

現(xiàn)代智能機(jī)械的好壞最直接的判定是加工完成以后相關(guān)產(chǎn)品性能，其中工件加工完成以后表面的粗糙程度是判定一個(gè)工件等級(jí)的重要標(biāo)準(zhǔn)，一般性能優(yōu)異的工件，在相應(yīng)的重要部位，為了保證它的工作性能，保證相應(yīng)的配合尺寸，一般會(huì)有一個(gè)比較低的粗糙度。相應(yīng)的一個(gè)高要求的工件，需要一個(gè)性能優(yōu)異的設(shè)備進(jìn)行加工，只有這樣工件的表面質(zhì)量才能得到保證，從而得到一個(gè)所需高質(zhì)量工件。

2.1 零件外圓加工表面粗糙度形成的理論分析

在理想條件下，切削刃的外形以及加工過(guò)程中刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)綜合作用以后會(huì)對(duì)工件表面的質(zhì)量產(chǎn)生決定性的影響。

如圖 1 用圓角車(chē)刀對(duì)圓柱形工件進(jìn)行加工，在忽略綜合振動(dòng)以及外界非加工幾何因素的影響，以完成工件表面最大殘留高度 Rmax 可進(jìn)行計(jì)算。

圖 1 外圓加工

2.2 振動(dòng)對(duì)車(chē)削工表面粗糙度影響的分析

工件的表面是通過(guò)相關(guān)機(jī)械的刀具加工出來(lái)的，因此相關(guān)機(jī)械的各種震動(dòng)通過(guò)刀具直接影響工件的表面質(zhì)量［4］。因此可以根據(jù)對(duì)機(jī)加工過(guò)程中的加工振動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)分析得出相應(yīng)的對(duì)工件表面質(zhì)量的影響。

上述公式中， x、 y、 z 是相應(yīng)刀具尖端的坐標(biāo)， R 為走刀等效半徑， N 為同坐主軸的軸穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速， A 為等效的振動(dòng)幅值， f 為等效的震動(dòng)頻率， F 為實(shí)際進(jìn)給量， t 為刀具工作時(shí)間。根據(jù)刀具尖端的運(yùn)動(dòng)公式（1）、（2）、（3），外圓加工過(guò)程中，相應(yīng)的機(jī)床刀具（車(chē)刀）工作尖端運(yùn)動(dòng)軌跡如圖 2 所示。在相應(yīng)的徑向上的運(yùn)動(dòng)路徑為如圖 3 所示的圓，在軸上的刀具尖端相對(duì)水平如圖 4 所示。這樣綜合各個(gè)方向的變化狀態(tài)構(gòu)成了工件外圓經(jīng)車(chē)削加工后相應(yīng)的理想表面粗糙度。

圖 2 理想工作尖端軌跡

圖 3 理想工作刀具尖端徑向軌跡

圖 4 理想工作下刀具尖端的徑向軌跡

為了仿真加工振動(dòng)對(duì)理想機(jī)加工的影響，在這里引入了一個(gè)代替加工振動(dòng)的正弦運(yùn)動(dòng)。因此這里正弦運(yùn)動(dòng)的頻率與加工機(jī)械主要轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的比較就是相關(guān)振動(dòng)與機(jī)械設(shè)備主要工作轉(zhuǎn)軸頻率的比較［5］。通過(guò)兩個(gè)頻率的對(duì)比可以分為三種情況下工件表面的質(zhì)量情況。

2.2.1 振動(dòng)頻率等于相關(guān)設(shè)備主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率

fn或其整數(shù)倍頻 Nfn當(dāng)振動(dòng)頻率與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率比值為 1 時(shí)，刀具尖端工作軌跡為如圖 5 所示，此時(shí)尖端的工作路徑在徑向上的看則是橢圓形的如圖 6 所示，在軸向的高度相同如圖 7 所示。

如果振動(dòng)頻率值正好是加工設(shè)備主要轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率值的 10 的整倍數(shù)，那么設(shè)備的刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生變化，具體軌跡見(jiàn)圖 8，沿徑向向的軌跡振動(dòng)見(jiàn)圖 9。只在垂直軸線(xiàn)方向上加工面會(huì)產(chǎn)生少量變化，相應(yīng)的軌跡路徑如圖 10 所示。

圖 5 fn頻率對(duì)應(yīng)刀具尖端軌跡

圖 6 fn頻率對(duì)應(yīng)刀具尖端徑向軌跡

圖 7 fn頻率對(duì)應(yīng)刀具尖端軸向軌跡

圖 8 10fn頻率對(duì)應(yīng)刀具尖端軌跡

圖 9 10fn頻率對(duì)應(yīng)刀具尖端徑向軌跡

圖 10 10fn頻率對(duì)應(yīng)刀具尖端軸向軌跡

2.2.2 振動(dòng)頻率低且不為機(jī)械設(shè)備主要工作轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及倍頻

當(dāng)加工振動(dòng)的頻率與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率不能形成明顯共振時(shí)，此時(shí)工件經(jīng)加工以后相應(yīng)表面在徑向上的振痕比較微小，而從軸向上看就會(huì)有明顯的參差痕跡，相應(yīng)的表面質(zhì)量就比較差。

2.2.3 振動(dòng)頻率高且不為機(jī)械設(shè)備主要工作轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率及倍頻

當(dāng)相應(yīng)的加工振動(dòng)處于高頻段的時(shí)候，雖然不是工作主軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的倍頻，但是也會(huì)引起刀具尖端的明顯抖動(dòng)，此時(shí)因?yàn)閺?qiáng)烈加工振動(dòng)的影響相應(yīng)刀具尖端在軸向以及徑向上具有明顯的軌

跡波動(dòng)，相比低頻振動(dòng)各向的影響表現(xiàn)均比較大。

以 23.1 倍頻率代表的高頻加工振動(dòng)可以看出相應(yīng)的刀具尖端的路徑如圖 12 所示。以 1.8 倍頻率為代表的低頻加工振動(dòng)可以看出相應(yīng)的刀具尖端的路徑在軸向的變動(dòng)比較大，如圖 13 所示。綜合比對(duì)圖 11 至圖 16 可以看出高頻加工振動(dòng)影響下刀具在各向均有明顯抖動(dòng)。

圖 11 1.8fn頻率加工振動(dòng)下刀具尖端軌跡

圖 12 23.1fn頻率加工振動(dòng)下刀具尖端軌跡

圖 13 1.8fn頻率加工振動(dòng)下刀具尖端徑向軌跡

圖 14 23.1fn頻率加工振動(dòng)下刀具尖端徑向軌跡

圖 15 1.8fn頻率加工振動(dòng)下刀具尖端軸向軌跡

圖 16 23.1fn頻率加工振動(dòng)下刀具尖端軸向軌跡

3 、結(jié)論

根據(jù)上述幾種不同頻率加工振動(dòng)的作用下，相應(yīng)工件加工表面的各向狀態(tài)是不一樣的。當(dāng)加工振動(dòng)的頻率與機(jī)械設(shè)備工作機(jī)械設(shè)備主要工作轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相等時(shí)或者為整數(shù)倍時(shí)，此時(shí)加工振動(dòng)對(duì)工件的影響主要顯示在徑向方向上，而相應(yīng)的軸向上影響不是特別明顯。當(dāng)加工振動(dòng)的頻率不是相關(guān)機(jī)械設(shè)備工作機(jī)械設(shè)備主要工作轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的整數(shù)倍頻率時(shí)，加工振動(dòng)對(duì)工件的各向影響都比較大，并且當(dāng)加工振動(dòng)為較低頻率的振動(dòng)時(shí)；工件表面的軸向波紋變化劇烈，相應(yīng)的當(dāng)是高頻率的加工振動(dòng)時(shí)工件表面的徑向變化比較明顯。

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