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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