【摘 要】本課題以數(shù)控車削加工中的振動(dòng)為研究對(duì)象，分析了產(chǎn)生振動(dòng)的原因和解決振動(dòng)的方法，以及振動(dòng)產(chǎn)生的危害，表明了應(yīng)盡量減少振動(dòng)的必要性。然后根據(jù)切削方式建立了數(shù)學(xué)模型，在不同的模型下運(yùn)用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行分析，對(duì)比了不同因素對(duì)振動(dòng)影響程度的不同進(jìn)而進(jìn)行驗(yàn)證說明。最后根據(jù)現(xiàn)有的理念分別從理論上和改變切削方法上進(jìn)行優(yōu)化，分析利弊，為減少振動(dòng)的產(chǎn)生提出了思路。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控加工 分析振動(dòng) 研究進(jìn)展 解決方法

1.緒論

在我們的社會(huì)中，隨處可見的物體都有機(jī)械加工的身影。近年來，有著優(yōu)越加工性能的精密數(shù)控車床、銑床和加工中心得到了廣泛重視與應(yīng)用。隨著加工技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，數(shù)控技術(shù)在加工工業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。很大部分的生產(chǎn)設(shè)備都由機(jī)床加工完成，最根本的要求便是保證加工質(zhì)量與效率。

在數(shù)控機(jī)床的車削加工中，機(jī)床總是在動(dòng)態(tài)的情況下進(jìn)行加工，由于工件與刀具之間的振動(dòng)，產(chǎn)生相對(duì)位移，使加工的工件便面產(chǎn)生振痕，干擾了正常的切削加工過程，導(dǎo)致表面產(chǎn)生振紋，質(zhì)量惡化，粗糙度增大等后果的產(chǎn)生抑制甚至消除切削過程中振動(dòng)的產(chǎn)生是提高加工質(zhì)量，改進(jìn)機(jī)床性能的關(guān)鍵所在。因此，對(duì)數(shù)控加工過程中振動(dòng)的分析與研究就顯得很有意義，這也正是本次課題所在。

2.振動(dòng)的判斷

由加工時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的特征，可以從以下幾種方法進(jìn)行判斷：

（1）機(jī)床空轉(zhuǎn)時(shí)的實(shí)驗(yàn)

當(dāng)機(jī)床的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)與實(shí)際切削完全一樣時(shí)進(jìn)行空轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，拾取振動(dòng)信號(hào)然后進(jìn)行頻譜分析，畫出頻譜圖，查找出機(jī)內(nèi)振源。對(duì)空轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際加工時(shí)所得到的頻譜圖進(jìn)行比較，如果頻譜圖上有峰值則可以判定加工中存在強(qiáng)迫振動(dòng)的成分。

（2）通過切削實(shí)驗(yàn)判斷

在不同的切削用量或重磨、更換刀具的情況下進(jìn)行切削，觀察振幅和頻率是否發(fā)生變化。

如果是機(jī)外振源或者是除主傳動(dòng)系統(tǒng)以外的振源所引起的強(qiáng)迫振動(dòng)，那么改變切削用量或者更換刀具，一般情況都不會(huì)引起振源和頻率的改變。

如果振源在主傳動(dòng)系統(tǒng)，那么在改變轉(zhuǎn)速后振動(dòng)頻率將隨振源轉(zhuǎn)速的改變而正比變化。改變轉(zhuǎn)速后，如果振源顯著減輕，即說明主要振源就在這時(shí)不使用的那副齒輪。

3.轉(zhuǎn)子的受力實(shí)驗(yàn)分析

在不同的切削用量下，用振動(dòng)方程分析車削加工中軸受移動(dòng)切削力作用下的振動(dòng)響應(yīng)。

首先改變切削用量，在機(jī)床上安裝測(cè)力儀，進(jìn)行自動(dòng)測(cè)力并進(jìn)行記錄。然后將振動(dòng)方程的公式帶入Matlab進(jìn)行分析求解。

增大進(jìn)給量f可以提高切削力的偏移速度，如圖14中的vp、wp偏移量均略有增加，軸的左半部分振幅下降卻很大。因此，適當(dāng)增加進(jìn)給量來提高切削速度會(huì)有助于降低切削時(shí)的振幅。

在分析車削振動(dòng)的過程中，考慮了加工中工件質(zhì)量、直徑的變化等因素對(duì)工件振動(dòng)的影響，用振動(dòng)方程的計(jì)算分析了移動(dòng)切削力的速度對(duì)車削振動(dòng)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明：在車削加工過程中，工件質(zhì)量和直徑變化對(duì)于工件振動(dòng)有明顯影響；主切削力對(duì)振動(dòng)的影響最大；增大走刀速度，振動(dòng)響應(yīng)也發(fā)生變化；合理提高進(jìn)給量對(duì)降低振動(dòng)響應(yīng)幅度有幫助。

4.解決思路

控制切削振動(dòng)的主要方法有：被動(dòng)型振動(dòng)控制、主動(dòng)型振動(dòng)控制、在線預(yù)報(bào)控制和切削振動(dòng)的預(yù)測(cè)控制。

隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，新型的加工手段也不斷產(chǎn)生，不僅提高了加工效率和質(zhì)量，并且在提高穩(wěn)定性方面也顯示了較大的優(yōu)勢(shì)。包括超高速切削技術(shù)和超聲波振動(dòng)切削技術(shù)。

超高速技術(shù)是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的，主要原理是避開工藝系統(tǒng)的固有頻率來抑制加工過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，同時(shí)降低切削力。由于切削力小，切削穩(wěn)定幾乎無振動(dòng)產(chǎn)生而在薄壁零件中得到了較好應(yīng)用，是未來的發(fā)展趨勢(shì)之一。

超聲波振動(dòng)切削技術(shù)在20世紀(jì)五六十年代由日本提出，經(jīng)過美國(guó)、德國(guó)、前蘇聯(lián)和我國(guó)各個(gè)大學(xué)的廣泛深入研究已形成較為成熟的理論，也由最初的單向發(fā)展成三維空間的橢圓振動(dòng)。由于超聲波振動(dòng)的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于加工系統(tǒng)固有的頻率，因此，在高頻脈沖力的作用下，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)位移能夠穩(wěn)定下來成為靜力學(xué)的靜態(tài)位移，由于震動(dòng)切削使脈沖力發(fā)生作用，系統(tǒng)的有效彈簧系數(shù)和有效剛度大大提高，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。

5.解決刀具振動(dòng)

振動(dòng)切削是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種先進(jìn)制造技術(shù)，通過在常規(guī)切削刀具上增加高頻振動(dòng)使刀具與工件產(chǎn)生間接接觸，從根本上改變了傳統(tǒng)的切削模式，解決了傳統(tǒng)切削模式的固有難題，提高了切削質(zhì)量，達(dá)到優(yōu)異的工藝效果，已成為精密加工、超精密加工的重要發(fā)展方向。

5.1 振動(dòng)切削原理

振動(dòng)切削是指切削工具相對(duì)工件以一定切削速度運(yùn)動(dòng)，并利用另外設(shè)置的振動(dòng)源，使刀具以一定的振幅、頻率振動(dòng)的加工方法。按其振動(dòng)頻率可以分為低頻振動(dòng)切削和超聲振動(dòng)切削。低頻振動(dòng)切削由于比超聲振動(dòng)切削技術(shù)難度小且更易實(shí)現(xiàn)而具有更大的實(shí)用價(jià)值。

在振動(dòng)切削中，由于刀具會(huì)周期性的離開和沖擊式的接觸工件，沖擊加載速率很高，就必須考慮由于工件材料產(chǎn)生的慣性效應(yīng)對(duì)切削裂紋的影響，應(yīng)力波對(duì)切削裂紋形成的影響及作用是改善切削效果的一個(gè)重要因素。

5.2 工藝效果分析

根據(jù)連續(xù)彈性體動(dòng)力分析理論，普通切削中由于切削力一直作用在工件上導(dǎo)致周邊材料也參與了抵抗變形，使得切口處切削力降低。

振動(dòng)切削中，由于不靈敏性振動(dòng)機(jī)理，進(jìn)給量變化量和切削深度變化量都趨于零，因此幾何表面粗糙度趨近于零而是已加工表面錯(cuò)漕渡接近于幾何表面粗糙度。

6.總結(jié)

經(jīng)過本次課題中對(duì)數(shù)控車削加工振動(dòng)的分析與研究，我分析了在數(shù)控加工中振動(dòng)的產(chǎn)生，原因及解決措施。首先通過查閱資料對(duì)車削中振動(dòng)的類型有一個(gè)大概的了解，知道了不同種類的振動(dòng)的特點(diǎn)及怎么分別，對(duì)概念性的東西有了簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)。然后通過對(duì)不同情況下的振動(dòng)模型進(jìn)行建模分析，運(yùn)用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從理論上表明產(chǎn)生振動(dòng)的原因和影響振動(dòng)的因素，建立理論基礎(chǔ)。然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，在實(shí)驗(yàn)條件下，改變參數(shù)，分析不同因素對(duì)振動(dòng)影響程度的不同，得出實(shí)驗(yàn)曲線，進(jìn)而在CA6140A機(jī)床上對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在對(duì)原理進(jìn)行了一個(gè)了解后，就開始查找解決辦法。本次課題，本組同仁們?cè)谡麄€(gè)過程中給我了詳細(xì)悉心的指導(dǎo)，讓我的思路得以開闊，在此對(duì)本專業(yè)同仁們表示感謝！

參考文獻(xiàn)

[1]曹新林.數(shù)控車削加工中刀具振動(dòng)問題初探[J].漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，8（4）：24～27.

[2]聶榮正.車床車削加工振動(dòng)的控制[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2010，38（1）：56～57.

[3]周麗麗，張平寬，王慧林等.振動(dòng)切削技術(shù)的研究與發(fā)展應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2009，30（2）：10～12.