數(shù)控機(jī)床振動(dòng)原因分析

數(shù)控機(jī)床在工作時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)直接影響到工件的加工品質(zhì)，產(chǎn)生明顯的表面振紋，粗糙度增大，工件表面品質(zhì)惡化。振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，甚至使切削加工無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，振動(dòng)中產(chǎn)生的噪聲，還將危害到操作者的身體健康。因此，我們應(yīng)該了解數(shù)控車(chē)床產(chǎn)生振動(dòng)的原因，掌握其中規(guī)律，并加以限制或消除。

1 振動(dòng)理論分析

振動(dòng)一般分為3種：即自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。

1.1 自由振動(dòng)

自由振動(dòng)是物體受到初始激勵(lì)(通常是一個(gè)脈沖)所引發(fā)的一種振動(dòng)。這種振動(dòng)靠初始激勵(lì)，一次性獲得振動(dòng)能量，歷程有限，一般不會(huì)對(duì)數(shù)控車(chē)床造成破壞。所以一般不考慮自由振動(dòng)對(duì)數(shù)控車(chē)床的影響。

1.2 強(qiáng)迫振動(dòng)

物體在持續(xù)周期變化的外力作用下產(chǎn)生的振動(dòng)，稱(chēng)為強(qiáng)迫振動(dòng)，如不平衡、不對(duì)中所引起的振動(dòng)。強(qiáng)迫振動(dòng)的力學(xué)模型如圖1所示。

圖1強(qiáng)迫振動(dòng)力學(xué)模型

其運(yùn)動(dòng)方程為

這是一個(gè)二階常系數(shù)線性非齊次微分方程，其解由通解和特解兩項(xiàng)組成，即：

如圖2所示，衰減自由振動(dòng)隨時(shí)間的推移迅速消失，而強(qiáng)迫振動(dòng)則不受阻尼的影響，是一種和激振力同頻率的振動(dòng)。由此可見(jiàn)，強(qiáng)迫振動(dòng)過(guò)程，不僅與激振力的性質(zhì)(激振頻率和振幅)有關(guān)，而且與物體的自身固有的特性(質(zhì)量、彈性剛度、阻尼)有關(guān)，這就是強(qiáng)迫振動(dòng)的特點(diǎn)。

圖2強(qiáng)迫振時(shí)間波形

1.3 自激振動(dòng)

自激振動(dòng)是在沒(méi)有外力作用下，由系統(tǒng)自身原因所產(chǎn)生的激勵(lì)而引起的振動(dòng)。自激振動(dòng)是一種比較危險(xiǎn)的振動(dòng)，設(shè)備一旦發(fā)生自激振動(dòng)，會(huì)使設(shè)備運(yùn)行失去穩(wěn)定性。

2 強(qiáng)迫振動(dòng)的產(chǎn)生原因及解決方法

2.1 主要原因

(1)旋轉(zhuǎn)零件質(zhì)量偏心產(chǎn)生的離心力;

(2)運(yùn)動(dòng)傳遞過(guò)程中傳遞零件誤差;

(3)切削過(guò)程中的間隙特性。

2.2 解決方法

(1)減少激振力。如精確平衡回轉(zhuǎn)零部件，將電機(jī)轉(zhuǎn)子、皮帶輪和卡盤(pán)作靜平衡試驗(yàn)，以提高裝配精度。

(2)提高工藝系統(tǒng)的剛度及阻尼。車(chē)床系統(tǒng)剛度和系統(tǒng)阻尼增加，可提高對(duì)振動(dòng)的抵抗能力，亦可減少振動(dòng)。

(3)調(diào)節(jié)系統(tǒng)固有頻率，避免共振的產(chǎn)生。在選擇轉(zhuǎn)速時(shí)，盡可能使旋轉(zhuǎn)工件的頻率遠(yuǎn)離機(jī)床有關(guān)原件的固有頻率，避開(kāi)共振區(qū)。

(4)采用減振器或阻尼器。當(dāng)上述方法無(wú)效時(shí)，可考慮使用阻尼器或減振器。

3 自激振動(dòng)產(chǎn)生的原因及解決方法

3.1 產(chǎn)生原因

在機(jī)械加工過(guò)程中，自激振動(dòng)是由振動(dòng)過(guò)程本身引起某種切削力的周期性變化，又由這個(gè)周期性變化的切削力，反過(guò)來(lái)加強(qiáng)和維持振動(dòng)，是振動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)充了由阻尼作用消耗的能量。當(dāng)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)停止時(shí)，該交變力也就消失了。這種在金屬切削過(guò)程中的自激振動(dòng)，一般稱(chēng)為切削顫振。

特別指出，自激振動(dòng)發(fā)生的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于強(qiáng)迫振動(dòng)。切削相對(duì)振動(dòng)會(huì)降低工件已加工的表面品質(zhì)，并影響刀具乃至機(jī)床的使用壽命。尤其現(xiàn)在高精度的數(shù)控車(chē)床的大量使用，由數(shù)控車(chē)床所保證的工件的高精度等指標(biāo)，將會(huì)在顫振發(fā)生時(shí)變得毫無(wú)意義。

3.2 解決方法

3.2.1 提高系統(tǒng)或夾具與工件的靜態(tài)剛性

(1)安裝刀具時(shí)選取合適的中心高。車(chē)削內(nèi)孔槽時(shí)，刀尖點(diǎn)理論上要求與孔的中心線一致，但實(shí)際上在安裝刀具時(shí)刀尖點(diǎn)往往在中心線偏上0.1 mm左右，這主要是刀具在切削時(shí)，刀尖點(diǎn)由于受到反作用往往下偏移，因此要給其一個(gè)補(bǔ)償量。

(2)盡可能縮短刀桿的懸伸量以提高刀具的剛性。當(dāng)?shù)稐U受力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生彎曲，會(huì)引發(fā)振動(dòng)，且懸長(zhǎng)越長(zhǎng)，振動(dòng)加劇。一般情況下，刀具伸出的長(zhǎng)度不宜超過(guò)刀桿長(zhǎng)度的2-3倍，這樣可以大大提高細(xì)長(zhǎng)刀桿的抗彎強(qiáng)度。

3.2.2 合理選擇刀具的幾何參數(shù)

刀具的幾何參數(shù)主要有：刀具的前角、主偏角、后角等。前角對(duì)振動(dòng)的影響較大，隨著前角的增大，振動(dòng)幅度也會(huì)隨之下降。但在切削速度較高時(shí)，前角對(duì)振動(dòng)的影響將減弱。所以，高速切削時(shí)，即使用負(fù)前角的刀具，也不致產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。如果是主偏角增大，切削力將會(huì)減少，同時(shí)切削寬度也減小。隨著主偏角的增大，振動(dòng)幅度逐漸減小，但當(dāng)角度大于90°后，振動(dòng)的幅度又會(huì)有所增大。對(duì)于后角的選擇，可減小到2°~3°，此時(shí)振動(dòng)有明顯的減弱。也可以在刀具主后角上，磨出一段負(fù)倒棱角，能起到很好的消振作用。

3.2.3 提高工件系統(tǒng)的抗振性

提高工藝系統(tǒng)的抗振性，是控制和預(yù)防自激振動(dòng)的重要措施之一。在工藝系統(tǒng)中，工件系統(tǒng)往往是易于發(fā)生振動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)，因此提高工件系統(tǒng)的抗振性，是非常必要的。

(1)盡可能在接近加工處夾緊工件，使切削力接近工件夾持處，減少切削力矩;

(2)沿工件全長(zhǎng)多夾幾點(diǎn)，以減少工件在切削力作用下變形;

(3)車(chē)削薄壁管時(shí)，管內(nèi)灌水、油、石蠟或裝砂，以提高工件系統(tǒng)的阻尼性能;

(4)提高軸類(lèi)工件頂尖孔的質(zhì)量;

(5)加工細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)采用中心架;

(6)采用一種能在刀具和工件之間實(shí)現(xiàn)附加聯(lián)系的裝置，如使用跟刀架、跟刀架式刀夾以及浮動(dòng)刀夾，用于鏜刀桿的跟刀架式支撐，這些裝置將明顯提高系統(tǒng)的剛度和抗振性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)數(shù)控機(jī)床過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)原因和基本規(guī)律進(jìn)行了分析，聯(lián)系在實(shí)際工作中碰到切削問(wèn)題，進(jìn)行具體分析，抓住主要矛盾，采取有效的減振措施，可使切削加工中的振動(dòng)現(xiàn)象明顯減小，大大提高工件的表面品質(zhì)和機(jī)床刀具的工藝能力。但是要完全消除振動(dòng)現(xiàn)象，還需要進(jìn)一步深入研究振動(dòng)機(jī)理、尋找產(chǎn)生振動(dòng)的原因及消除措施?？傊?，減小振動(dòng)的方法和措施是多方面的，必須要具體分析。