機床加工過程振動特性及對加工表面質量影響的研究

姚子生，王曉雷，李博

（1.上海優尼斯工業服務有限公司沈陽分公司；2.沈陽優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。當機床發生振動時，振動會讓加工刀具的軌跡發生偏移，從而出現加工誤差。有時機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床發生了振動，此時，人工可以即時給予干預，排除故障。有時機床的振動幅度極小，工作人員不能憑肉眼觀察和身體觸覺發現機床出現了振動，然而這樣的誤差卻影響了零件加工表面的質量。這時，只能對加工的誤差進行分析，發現機床振動的故障，然后排除相應的故障。工作人員在應用數控機床加工時，必須時刻關注機床是否發生了故障。

1 機床加工過程振動的產生機理

關于切削加工中出現的振動問題，國內外學者曾對它進行過研究。國內外學者認為，機床工作時必然會出現振動，振動的產生分兩種。第一種為受迫振動。即當某種外來壓力作用在機床上時，機床會發生振動，如果外來施加的壓力不穩定，那么機床發生的振動可能會產生較多的變化；如果施加的壓力穩定，那么機床會發生周期性的振動。外來壓力帶來的振動與外來的驅動力有關，和機床本身固有的頻率無關。第二種為自激振動。這是指機床在加工時，需要接受外來的能源，由能源為機床提供操作的源動力。而機床在作業時，一定會出現振動。如果機床發生振動的幅度極小，那么可以調節機床設置的作業參數，使機床的振動盡可能不影響加工的質量；如果機床的振動幅度過大，那么機床不僅在振動的過程中會消耗掉不必要的能源，還會影響加工質量。以此機理可知，如果要減少振動對加工質量的影響，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，然后應用調節參數的方法控制較小的振動，確保機床加工的質量。

2 機床加工過程振動的特性

為了說明機床加工過程振動的特性，需對機床的作業機理進行分析。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，完成零件的切削工作。零件被吸附在工作臺的真空吸盤上，工作臺依據機床設備給出的指令完成給進作業。由此，零件在設備上依流程位移，刀具依流程完成切削作業。在沒有外力的作用下、在假設設備不受能源供應影響的前提下，零件表面切削的成果應當一致，沒有誤差。而現在，無論是由于外力的作用，或者是由機床設備能源供應的作用，機床出現了振動，那么振動帶來切削的動作會臨時出現位移，并且刀具作用在零件表面時可能產生異常的作用力，移位及異常作用力會在零件切削的過程中產生微波紋。當微波紋大到精確度要求以上的數值時，零件生產的表面質量就不符合加工的要求，被認定為廢品。振動，會對主軸系統、切削系統（含刀具與刀具與工件接觸的部位）、遞進系統、切削液供給系統產生影響。機床加工過程帶來的振動，不僅會影響零件表面加工的質量，還會帶來機床能源消耗過大的問題，機床零件受到過多物理沖擊而性能下降、壽命下降的問題。

3 機床加工過程振動對加工表面質量的影響

人們要求應用數控機床加工零件時，必須控制零件表面的質量，并且零件表面的精度越高就越能滿足人們的需求。隨著未來科學技術向前發展，社會向前發展，人們會進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量，現必須分析振動對表面加工帶來的各種影響。

（1）系統主軸改變對表面加工的影響。當機床出現振動時，主軸系統會受到影響。比如主軸的零件可能會讓構造發生變化、會使主軸系統的零件受到力的影響，從而發生物理性能的變化。當振動極大時，主軸受到的影響會極大，此時主軸系統可能會立即出現故障，那么工作人員就可以排除故障。然而，機床設備的振動有時極為微小，工作人員不了解此時主軸系統的零件發生了變化，當主軸系統的零件一次一次的受到微小的影響時，可能主軸系統的構造就會發生變化，此時，機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，都與系統的主軸相連。當系統發生了振動時，系統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。當主軸系統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誤差。在加工過程中，如振動較為微小時，那么系統主軸的改變過程可能極為微小，然而當微小的改變逐漸積累時，機床加工的誤差會越來越大。

（2）切削系統改變對表面加工的影響。切削系統在受到振動時，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誤差。當發生振動時，刀具與零件的接觸面接觸的壓力會發現異常，這種異常的力既會讓零件的表面加工發生異常，零件表面給刀具帶來的反作用力也會發生異常，此時刀具的刀片物理性能可能會發生變化。比如在實驗中發現，在發生振動時，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生了影響。切削系統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生了變化，表面加工的精密誤差就會立即出現。

（3）遞進系統改變對表面加工的影響。遞進系統在受到振動影響的情況下，遞進的軌跡會發生變化，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生變化。比如當遞進系統發生變化時，活頂尖可能會伸出較長，遞進系統的零件可能會因為故障，而發生了遞進位置位移的現象。有時拖板的松緊度都會發生改變。遞進系統發生改變時，會讓表面精度的誤差隨機變化，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）液壓系統改變對表面加工的影響。液壓系統是由液壓泵、液壓閥、液壓缸、附件共同構成。液壓系統在接受能力上，進行操作時本身就可能會因為流體壓力的變化帶來振動。當液壓系統開始振動，引起主軸系統、切削系統、遞進系統振動時，這些機械與機械之間的作用力會給液壓系統帶來反作用力，這種反作用力會讓液壓系統的振動再次發生變化。液壓系統的改變，會影響整個機床振動的大小，可以說，一旦液壓系統的性能發生了變化，機床的振動幅度馬上發生變化，它是使零件表面加工粗糙度變大的最根本的原因。

4 結語

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