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機械加工中振動對工件（jiàn）的（de）影響

2020-3-17 來源：遼（liáo）陽（yáng）縣中等職業技術（shù）專業學校作者：徐（xú）延輝

摘要：本文探討了機械加工（gōng）過程中振動對工件的影響。首先闡述了加工振（zhèn）動產生（shēng）的原因以及相關特性（xìng）；然後采用（yòng）理論分析和仿真實驗相結合，分析了加工振動對工件表（biǎo）麵質量（liàng）的（de）影響。仿真實驗的結果表明，不同頻率的加工振動會使（shǐ）加（jiā）工表麵呈現不同的各向狀態（tài），即若加工振動的頻率為（wéi）轉動頻（pín）率的整數倍時，振動的影響主要在徑向方向上；若加工振動的頻率不是整數倍時，加工振動對工件的各向影響都比（bǐ）較大。

關鍵詞：加工振動；刀具；工件；表麵質（zhì）量

在各種科技技術飛速更新的現代社會中，相應的機加工要求以及（jí）水平越來越高。但是在機加工的過程（chéng）中因為（wéi）加工（gōng）振（zhèn）動的出現（xiàn），會使相應的機械加工精度以及相應工件精度受到影響，在實際加工中，工具與（yǔ）待加工工件之間的運動具有一定周期性，其中加工振動是不可忽視的。這（zhè）種振動的存在對於工件是一個嚴重的危害（hài），在很大程度上影響著工件精度，並且也對（duì）實際生產效率有著負麵影響。研究這種加工振動以及分析對於工（gōng）件的具體影響對提高加工（gōng）精度是很有（yǒu）幫助的（de）。

1 、機械加工中加（jiā）工振動產生的原因以及（jí）相關特性

根據在實際（jì）加工生產中（zhōng）的加工振動的相關特性可以將（jiāng）機械（xiè）加（jiā）工中的加工振動分成自由振動、強迫振動以及自激振動。

其中自由振動是由於加工係統在初始綜合擾動力的作用下係統的初始平衡受到破壞失衡，在自身彈力的作用（yòng）下（xià）有恢（huī）複以前狀態的趨勢，在擾動力以及自身（shēn）彈性（xìng）力綜合作用下發生加工振動。

強迫振動是受到（dào）外（wài）界強（qiáng）烈擾動以（yǐ）後發生的因為外界擾（rǎo）動力而產生的加工振動（dòng），而自激振動顧名思義是因為（wéi）加工（gōng）係（xì）統自身各種應變力引起（qǐ）的（de）在加工過程中一直（zhí）存在的加工振動。

1.1 自（zì）由振動產生的相關原因

在實際的（de）機加工（gōng）過程中，自（zì）由振動是（shì）一種普遍存在的加工振動形式，同時也是機加工（gōng）振動中形式最簡單的一種，在相（xiàng）關振動中占比（bǐ）隻有 6%左右［1］。這種振動產生（shēng）的原因主要有（yǒu）以下（xià）幾個因素造成：第一是在相關機械設（shè）備工作時（shí）如果相關加工切削力發生突變，就會產生相應的自由振動。第二就是在相關設備工作時如果外界環境突然出現衝擊力，也會造成（chéng）一定振動。如果這些（xiē）加工中出（chū）現（xiàn）的自由振動（dòng）在沒有持續相關能源為其提供能量維持相（xiàng）應振動，則這種自由振動就慢慢衰減直至泯沒，所以這（zhè）種自由振（zhèn）動對實際的加工的（de）工（gōng）件影響較弱。

1.2 強迫振動產生的相關原因

在實際的機加工過（guò）程中，強迫振動在磨削加（jiā）工中的存在最為普遍，也是機械加工中振動的主要存在形式［2］。根據它形成的原因可以分為內因振動（dòng）以及外因（yīn）振動。其中內因振動又是強迫振動中（zhōng）的主要存在形式，歸納總結有以下幾個內因：第一機械加工的相關設備自身的不（bú）平衡性在加工過程中形成的離心不穩定周期（qī）作用（yòng）力，這種情況一般存在（zài）於相應設備（bèi）回轉部件高度運（yùn）動的（de）不平衡狀態中；第二是因為在相關（guān）加（jiā）工設（shè）備的變速部件或者加（jiā）工動力傳輸中，因為相關部件的（de）間隙或者其它相關缺陷，產生的持續性周期作用力引起的相關振動。這種（zhǒng）振動在相關軸承安裝精度損壞的情況下振動尤為突（tū）出，對加工精（jīng）度以及相關工件的質量（liàng）有很大損害；第三是因為相（xiàng）關機械工作過程中的加工不均勻性引起的（de）。響應的外部因素引起的振動就主要是因為環境因素（sù）中的各種震動因素（sù）引起的相關機械設備在工作中的振動，因為在現代工廠中有很多智能大型機械，它（tā）們工作時勢必會（huì）產生各種震動，其中壓力機產生的震動影響最為突出，為了降低這種加工（gōng）振動通常（cháng）可以對相

關（guān）環境進行一定隔震處理。

1.3 自激振動產生的（de）相關原因

自激（jī）振動因為（wéi）這種加工振（zhèn）動的產生主要是因為各（gè）種相關機械的（de）自身因素引起的，因此在各種加工機械中都會有相應存在，尤其（qí）是在精密加工（gōng）中（zhōng）這種（zhǒng）加工振動的危害最為明顯。自激振動使相關設備在工（gōng）作時因為自（zì）身振（zhèn）動（dòng）而使其相關加工工件也處於交替周期的振動中［3］。這種振動（dòng）形式在（zài）低（dī）端設備中（zhōng）存在最為（wéi）明顯。這種振動主要有以下幾種特點：第一是這種振動（dòng）的震（zhèn）動頻率與相關係統的固有頻（pín）率接近；第二就是因為這種振動（dòng）的成因主要是自身因素（sù）引起的，因此這種振動的振幅主要決定於其係統（tǒng）自身的阻尼能量損耗以及在其他方麵接受到的能源綜合影響；第三個就（jiù）是因為（wéi）這種振動是自身（shēn）因素引起的所以會一直存在於整個加工（gōng）工作中，對於要加工精密零件來（lái）說是噩夢（mèng）。

2 、機工中的加工振動對工件表麵質量的影響

現代智能機械的好壞（huài）最直接的判定是加工完成以後相關產品性能，其中工件加工完成以後表麵的粗糙程度是（shì）判定一個工件等級（jí）的重要標（biāo）準（zhǔn），一般性能優異（yì）的工件，在相應的重要部位，為了保證它的工作性能，保證相應的配合尺寸，一般會有一個（gè）比（bǐ）較低的粗（cū）糙度。相應的一個高要求的工件，需要一個性能優異的設備進行加工，隻有這樣工件的表麵質量才能得到保證，從而得到一個所需高質量工件。

2.1 零件外（wài）圓加（jiā）工表麵粗糙度（dù）形成的理論分析

在理想條件下（xià），切削（xuē）刃的外形以及加工（gōng）過程中刀具與工件的相對運動綜合作用以後會對工件表麵的質量產生決定性的影（yǐng）響。

如圖 1 用（yòng）圓角車刀對圓柱形工件進行加工，在忽略綜合振（zhèn）動以及外界非加工幾何因素的影響，以（yǐ）完成工件表麵最大殘留高度 Rmax 可進行計算。

圖 1 外圓加工

2.2 振動對車削工表麵粗糙度影響的分析

工件的表麵是通過相關機械的刀具加工出來的，因此相關機械的各種震動通過刀具直接影響工件的表麵質量［4］。因此可以根據對機加工過程中的加工振動進行相應分析得出相應的對工件表麵質量的影響。

上述公式中， x、 y、 z 是相應刀具尖端的坐標， R 為走刀等效半徑， N 為（wéi）同（tóng）坐主軸（zhóu）的軸穩態轉速， A 為等效的振動幅值， f 為等效的震動頻率， F 為實際進給量， t 為刀具工作時間。根據刀具（jù）尖端（duān）的運動公式（1）、（2）、（3），外圓加工（gōng）過程中，相應的機床（chuáng）刀（dāo）具（車刀）工作尖（jiān）端運動軌跡如圖 2 所示。在相應的徑向上的運動路徑為如圖 3 所示的圓，在（zài）軸上的刀具尖端相對水平（píng）如（rú）圖 4 所示。這樣綜合各個方向的變化狀態構成了工（gōng）件外圓經車削加工後相應（yīng）的理想表麵粗糙度。

圖 2 理想工作尖端（duān）軌跡

圖 3 理（lǐ）想工（gōng）作刀具尖端徑向軌跡

圖 4 理想工作下刀具尖端的（de）徑向軌（guǐ）跡

為了仿真加工振動對理想機加工的影響，在（zài）這裏引入了一個代替加工（gōng）振動的正弦運動。因此這裏（lǐ）正（zhèng）弦運動的頻率與加（jiā）工機械主要轉軸的轉動頻（pín）率的（de）比較就是相關振動（dòng）與機械設備主要工作轉軸頻率的（de）比較［5］。通過兩個頻率的對（duì）比可以分為三種情況下工件表麵的質量（liàng）情況。

2.2.1 振動頻率等於相關設備主軸轉動頻率

fn或其整數（shù）倍頻 Nfn當振（zhèn）動頻率與主軸轉動頻率比（bǐ）值為 1 時，刀具尖端工作軌跡為如圖 5 所示（shì），此時尖（jiān）端（duān）的工作（zuò）路徑在徑向上的看（kàn）則是橢圓形的如圖 6 所示，在軸向的高度相同如圖 7 所示。

如果振動頻率（lǜ）值正好是加工設備主要（yào）轉軸的轉動頻率值的（de） 10 的整倍數，那麽（me）設備的（de）刀尖運動軌跡（jì）會發生變化，具體（tǐ）軌跡見圖 8，沿（yán）徑向向的（de）軌（guǐ）跡振動見圖 9。隻在垂直（zhí）軸線方向上加工麵會產生（shēng）少量變化，相應的軌跡路徑如圖 10 所示。

圖 5 fn頻（pín）率對應刀具尖端（duān）軌跡

圖（tú） 6 fn頻率對應（yīng）刀具尖（jiān）端徑向軌跡（jì）

圖（tú） 7 fn頻率對應（yīng）刀具尖端（duān）軸向軌跡

圖 8 10fn頻率對應刀具尖端軌跡

圖（tú） 9 10fn頻率對應刀具尖端徑向軌跡

圖 10 10fn頻率對應刀（dāo）具尖端軸向軌跡

2.2.2 振動頻率低且不為機械設備主要工作轉軸轉動頻率（lǜ）及倍頻

當加工振動的頻率與主軸轉動（dòng）頻率不能形成明顯共（gòng）振時，此時工件（jiàn）經加工以後相應表麵在徑向上的振（zhèn）痕比較微小，而從軸向上看就會有明顯的參差痕跡，相應的表麵質量就比較差。

2.2.3 振動頻率高且不為機（jī）械設（shè）備主要工作轉軸轉動頻（pín）率及倍頻

當相應的加工（gōng）振動處於高頻段（duàn）的時候（hòu），雖然不是工作主軸轉動頻率的倍頻，但是也會引（yǐn）起刀具尖端的明顯抖動，此時因為強烈加工振動的影響相應刀具尖端在軸向以及徑向上具有明顯的軌

跡波動，相（xiàng）比低頻振動各向的影響表（biǎo）現均比較大。

以 23.1 倍頻率代表的高頻加工振動可以看出相應的刀具尖端的路徑如圖 12 所示。以 1.8 倍頻率為代表的低（dī）頻加工振動可（kě）以看出相應的刀具尖端的路徑在軸向的（de）變（biàn）動比較大，如圖 13 所（suǒ）示。綜合比（bǐ）對圖 11 至圖 16 可以看出高頻加工振動影響下刀具在各向均有明顯抖動。

圖 11 1.8fn頻率加工（gōng）振（zhèn）動下刀具尖端軌跡

圖 12 23.1fn頻率加工振動下刀具尖端軌跡

圖 13 1.8fn頻率加工振動下刀具尖端徑向軌跡

圖 14 23.1fn頻率加工振動下刀（dāo）具尖端徑（jìng）向軌（guǐ）跡

圖 15 1.8fn頻率加工（gōng）振動下刀具尖（jiān）端軸向軌跡

圖 16 23.1fn頻率（lǜ）加工振動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（gōng）振動的作用下，相應工件加（jiā）工表麵的各向狀態是不一樣的。當加工振動的頻率與機（jī）械設（shè）備工（gōng）作機械設備主要工作轉軸的轉（zhuǎn）動頻率相（xiàng）等時或者為整數倍時，此時加工振動（dòng）對工（gōng）件的（de）影響（xiǎng）主要顯示在徑向方向上，而相應的軸向上影響不是特別明顯。當加工（gōng）振動（dòng）的頻率不是相關機械設備（bèi）工作機械設備主要工作轉軸轉動頻率的整（zhěng）數倍頻率時，加工振動對工件的各向影響都比較大，並且當加（jiā）工振動為較低頻率的振動時（shí）；工件表麵的軸向波紋變化劇烈，相應的當是高頻（pín）率（lǜ）的加工振（zhèn）動時工件表麵的徑向變化（huà）比較明顯。

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