數(shù)控車削加工振動分析研究

【摘 要】本課題以數(shù)控車削加工中的振動為研究對象，分析了產(chǎn)生振動的原因和解決振動的方法，以及振動產(chǎn)生的危害，表明了應(yīng)盡量減少振動的必要性。然后根據(jù)切削方式建立了數(shù)學(xué)模型，在不同的模型下運用數(shù)學(xué)公式進行分析，對比了不同因素對振動影響程度的不同進而進行驗證說明。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行優(yōu)化，分析利弊，為減少振動的產(chǎn)生提出了思路。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控加工 分析振動 研究進展 解決方法

1.緒論

在我們的社會中，隨處可見的物體都有機械加工的身影。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)控機床的車削加工中，機床總是在動態(tài)的情況下進行加工，由于工件與刀具之間的振動，產(chǎn)生相對位移，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的產(chǎn)生是提高加工質(zhì)量，改進機床性能的關(guān)鍵所在。因此，對數(shù)控加工過程中振動的分析與研究就顯得很有意義，這也正是本次課題所在。

2.振動的判斷

由加工時產(chǎn)生振動的特征，可以從以下幾種方法進行判斷：

（1）機床空轉(zhuǎn)時的實驗

當(dāng)機床的各種運動參數(shù)與實際切削完全一樣時進行空轉(zhuǎn)實驗，拾取振動信號然后進行頻譜分析，畫出頻譜圖，查找出機內(nèi)振源。對空轉(zhuǎn)實驗和實際加工時所得到的頻譜圖進行比較，如果頻譜圖上有峰值則可以判定加工中存在強迫振動的成分。

（2）通過切削實驗判斷

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

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

如果振源在主傳動系統(tǒng)，那么在改變轉(zhuǎn)速后振動頻率將隨振源轉(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不使用的那副齒輪。

3.轉(zhuǎn)子的受力實驗分析

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

首先改變切削用量，在機床上安裝測力儀，進行自動測力并進行記錄。然后將振動方程的公式帶入Matlab進行分析求解。

增大進給量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)增加進給量來提高切削速度會有助于降低切削時的振幅。

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

4.解決思路

控制切削振動的主要方法有：被動型振動控制、主動型振動控制、在線預(yù)報控制和切削振動的預(yù)測控制。

隨著社會和科技的發(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。包括超高速切削技術(shù)和超聲波振動切削技術(shù)。

超高速技術(shù)是在20世紀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，同時降低切削力。由于切削力小，切削穩(wěn)定幾乎無振動產(chǎn)生而在薄壁零件中得到了較好應(yīng)用，是未來的發(fā)展趨勢之一。

超聲波振動切削技術(shù)在20世紀五六十年代由日本提出，經(jīng)過美國、德國、前蘇聯(lián)和我國各個大學(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。由于超聲波振動的頻率遠遠高于加工系統(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

振動切削是20世紀60年代發(fā)展起來的一種先進制造技術(shù)，通過在常規(guī)切削刀具上增加高頻振動使刀具與工件產(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 振動切削原理

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

在振動切削中，由于刀具會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)對切削裂紋的影響，應(yīng)力波對切削裂紋形成的影響及作用是改善切削效果的一個重要因素。

5.2 工藝效果分析

根據(jù)連續(xù)彈性體動力分析理論，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。

振動切削中，由于不靈敏性振動機理，進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)過本次課題中對數(shù)控車削加工振動的分析與研究，我分析了在數(shù)控加工中振動的產(chǎn)生，原因及解決措施。首先通過查閱資料對車削中振動的類型有一個大概的了解，知道了不同種類的振動的特點及怎么分別，對概念性的東西有了簡單的認識。然后通過對不同情況下的振動模型進行建模分析，運用數(shù)學(xué)公式進行數(shù)據(jù)分析，從理論上表明產(chǎn)生振動的原因和影響振動的因素，建立理論基礎(chǔ)。然后進行實驗分析，在實驗條件下，改變參數(shù)，分析不同因素對振動影響程度的不同，得出實驗曲線，進而在CA6140A機床上對實驗結(jié)果進行驗證。在對原理進行了一個了解后，就開始查找解決辦法。本次課題，本組同仁們在整個過程中給我了詳細悉心的指導(dǎo)，讓我的思路得以開闊，在此對本專業(yè)同仁們表示感謝！

參考文獻

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