機(jī)床加工過程振動特性及對加工表面質(zhì)量影響的研究

姚子生，王曉雷，李博

（1.上海優(yōu)尼斯工業(yè)服務(wù)有限公司沈陽分公司；2.沈陽優(yōu)尼斯智能裝備有限公司，遼寧 沈陽 110141）

零件表面加工，是一種對表面精度要求很高的加工，一般要求表面加工的精度在0.1μm以內(nèi)。當(dāng)機(jī)床發(fā)生振動時，振動會讓加工刀具的軌跡發(fā)生偏移，從而出現(xiàn)加工誤差。有時機(jī)床振動的幅度非常明顯，工作人員憑肉眼可視及、身體觸覺就能了解機(jī)床發(fā)生了振動，此時，人工可以即時給予干預(yù)，排除故障。有時機(jī)床的振動幅度極小，工作人員不能憑肉眼觀察和身體觸覺發(fā)現(xiàn)機(jī)床出現(xiàn)了振動，然而這樣的誤差卻影響了零件加工表面的質(zhì)量。這時，只能對加工的誤差進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)床振動的故障，然后排除相應(yīng)的故障。工作人員在應(yīng)用數(shù)控機(jī)床加工時，必須時刻關(guān)注機(jī)床是否發(fā)生了故障。

1 機(jī)床加工過程振動的產(chǎn)生機(jī)理

關(guān)于切削加工中出現(xiàn)的振動問題，國內(nèi)外學(xué)者曾對它進(jìn)行過研究。國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為，機(jī)床工作時必然會出現(xiàn)振動，振動的產(chǎn)生分兩種。第一種為受迫振動。即當(dāng)某種外來壓力作用在機(jī)床上時，機(jī)床會發(fā)生振動，如果外來施加的壓力不穩(wěn)定，那么機(jī)床發(fā)生的振動可能會產(chǎn)生較多的變化；如果施加的壓力穩(wěn)定，那么機(jī)床會發(fā)生周期性的振動。外來壓力帶來的振動與外來的驅(qū)動力有關(guān)，和機(jī)床本身固有的頻率無關(guān)。第二種為自激振動。這是指機(jī)床在加工時，需要接受外來的能源，由能源為機(jī)床提供操作的源動力。而機(jī)床在作業(yè)時，一定會出現(xiàn)振動。如果機(jī)床發(fā)生振動的幅度極小，那么可以調(diào)節(jié)機(jī)床設(shè)置的作業(yè)參數(shù)，使機(jī)床的振動盡可能不影響加工的質(zhì)量；如果機(jī)床的振動幅度過大，那么機(jī)床不僅在振動的過程中會消耗掉不必要的能源，還會影響加工質(zhì)量。以此機(jī)理可知，如果要減少振動對加工質(zhì)量的影響，就要在加工時，排除外來施加的壓力，通過排除故障來減少較大的振動，然后應(yīng)用調(diào)節(jié)參數(shù)的方法控制較小的振動，確保機(jī)床加工的質(zhì)量。

2 機(jī)床加工過程振動的特性

為了說明機(jī)床加工過程振動的特性，需對機(jī)床的作業(yè)機(jī)理進(jìn)行分析。在零件加工時，裝有天然金剛石的刀具會被固定在刀架上。刀具會依固定的角度完成零件的切削工作。刀架會在主軸刀盤的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，完成零件的切削工作。零件被吸附在工作臺的真空吸盤上，工作臺依據(jù)機(jī)床設(shè)備給出的指令完成給進(jìn)作業(yè)。由此，零件在設(shè)備上依流程位移，刀具依流程完成切削作業(yè)。在沒有外力的作用下、在假設(shè)設(shè)備不受能源供應(yīng)影響的前提下，零件表面切削的成果應(yīng)當(dāng)一致，沒有誤差。而現(xiàn)在，無論是由于外力的作用，或者是由機(jī)床設(shè)備能源供應(yīng)的作用，機(jī)床出現(xiàn)了振動，那么振動帶來切削的動作會臨時出現(xiàn)位移，并且刀具作用在零件表面時可能產(chǎn)生異常的作用力，移位及異常作用力會在零件切削的過程中產(chǎn)生微波紋。當(dāng)微波紋大到精確度要求以上的數(shù)值時，零件生產(chǎn)的表面質(zhì)量就不符合加工的要求，被認(rèn)定為廢品。振動，會對主軸系統(tǒng)、切削系統(tǒng)（含刀具與刀具與工件接觸的部位）、遞進(jìn)系統(tǒng)、切削液供給系統(tǒng)產(chǎn)生影響。機(jī)床加工過程帶來的振動，不僅會影響零件表面加工的質(zhì)量，還會帶來機(jī)床能源消耗過大的問題，機(jī)床零件受到過多物理沖擊而性能下降、壽命下降的問題。

3 機(jī)床加工過程振動對加工表面質(zhì)量的影響

人們要求應(yīng)用數(shù)控機(jī)床加工零件時，必須控制零件表面的質(zhì)量，并且零件表面的精度越高就越能滿足人們的需求。隨著未來科學(xué)技術(shù)向前發(fā)展，社會向前發(fā)展，人們會進(jìn)一步提高零件表面加工精度的要求，而不會降低要求。為了提高零件表面加工的質(zhì)量，現(xiàn)必須分析振動對表面加工帶來的各種影響。

（1）系統(tǒng)主軸改變對表面加工的影響。當(dāng)機(jī)床出現(xiàn)振動時，主軸系統(tǒng)會受到影響。比如主軸的零件可能會讓構(gòu)造發(fā)生變化、會使主軸系統(tǒng)的零件受到力的影響，從而發(fā)生物理性能的變化。當(dāng)振動極大時，主軸受到的影響會極大，此時主軸系統(tǒng)可能會立即出現(xiàn)故障，那么工作人員就可以排除故障。然而，機(jī)床設(shè)備的振動有時極為微小，工作人員不了解此時主軸系統(tǒng)的零件發(fā)生了變化，當(dāng)主軸系統(tǒng)的零件一次一次的受到微小的影響時，可能主軸系統(tǒng)的構(gòu)造就會發(fā)生變化，此時，機(jī)床的表面加工精度難以保證。比如無論是刀具架，還是固定零件的吸附盤，都與系統(tǒng)的主軸相連。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生了振動時，系統(tǒng)會受到一定程度的沖擊，這種沖擊會改變主軸的物理性能，也會改變連接的精密度。當(dāng)主軸系統(tǒng)的物理性能影響了位移操作，并且連接不再緊密時，零件表面的切削加工就會出現(xiàn)誤差。在加工過程中，如振動較為微小時，那么系統(tǒng)主軸的改變過程可能極為微小，然而當(dāng)微小的改變逐漸積累時，機(jī)床加工的誤差會越來越大。

（2）切削系統(tǒng)改變對表面加工的影響。切削系統(tǒng)在受到振動時，刀具與刀具與零件的接觸會受到影響。振動可能會影響刀具固定的效果，可能刀具的角度發(fā)生改變，或者刀架固定不再緊密，此時，加工的表面精度就會出現(xiàn)誤差。當(dāng)發(fā)生振動時，刀具與零件的接觸面接觸的壓力會發(fā)現(xiàn)異常，這種異常的力既會讓零件的表面加工發(fā)生異常，零件表面給刀具帶來的反作用力也會發(fā)生異常，此時刀具的刀片物理性能可能會發(fā)生變化。比如在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生振動時，剛性高的刀具誤差的改變相對較小；反之，誤差就會變大。這就說明振動對刀具刀刃的物理性能產(chǎn)生了影響。切削系統(tǒng)改變對表面加工的影響是即時的，特別是如果刀刃的物理性能發(fā)生了變化，表面加工的精密誤差就會立即出現(xiàn)。

（3）遞進(jìn)系統(tǒng)改變對表面加工的影響。遞進(jìn)系統(tǒng)在受到振動影響的情況下，遞進(jìn)的軌跡會發(fā)生變化，此時，哪怕軌跡變化是微小的，也會讓刀具與零件之間接觸的位置發(fā)生變化。比如當(dāng)遞進(jìn)系統(tǒng)發(fā)生變化時，活頂尖可能會伸出較長，遞進(jìn)系統(tǒng)的零件可能會因?yàn)楣收希l(fā)生了遞進(jìn)位置位移的現(xiàn)象。有時拖板的松緊度都會發(fā)生改變。遞進(jìn)系統(tǒng)發(fā)生改變時，會讓表面精度的誤差隨機(jī)變化，讓微波紋的紋路變得零亂，從而零件表面的粗糙度會變大。

（4）液壓系統(tǒng)改變對表面加工的影響。液壓系統(tǒng)是由液壓泵、液壓閥、液壓缸、附件共同構(gòu)成。液壓系統(tǒng)在接受能力上，進(jìn)行操作時本身就可能會因?yàn)榱黧w壓力的變化帶來振動。當(dāng)液壓系統(tǒng)開始振動，引起主軸系統(tǒng)、切削系統(tǒng)、遞進(jìn)系統(tǒng)振動時，這些機(jī)械與機(jī)械之間的作用力會給液壓系統(tǒng)帶來反作用力，這種反作用力會讓液壓系統(tǒng)的振動再次發(fā)生變化。液壓系統(tǒng)的改變，會影響整個機(jī)床振動的大小，可以說，一旦液壓系統(tǒng)的性能發(fā)生了變化，機(jī)床的振動幅度馬上發(fā)生變化，它是使零件表面加工粗糙度變大的最根本的原因。

4 結(jié)語

分析機(jī)床加工過程振動的機(jī)理及持征可知，液壓系統(tǒng)的液流大小會對機(jī)床加工振動的幅度產(chǎn)生影響。當(dāng)振動產(chǎn)生后，振動會影響主軸系統(tǒng)、切削系統(tǒng)、遞進(jìn)系統(tǒng)，甚至影響到液壓系統(tǒng)自身零件的性能、連接的性能。當(dāng)它們的性能改變時，固定零件的松緊度會發(fā)生變化、零件作業(yè)時軌跡會發(fā)生變化、作業(yè)過程中可能會出現(xiàn)異常中斷，從而零件表面會出現(xiàn)微波紋。振動越大、微波紋就越大，零件表面的粗糙度就越大。在機(jī)床加工過程中，必須了解振動特征及其產(chǎn)生的機(jī)理，在生產(chǎn)時需要應(yīng)用各種方法控制振動的大小，提高零件生產(chǎn)表面的精度。