机床加工过程振动特性及对加工表面质量影响的研究

姚子生，王晓雷，李博

（1.上海优尼斯工业服务有限公司沈阳分公司；2.沈阳优尼斯智能装备有限公司，辽宁 沈阳 110141）

零件表面加工，是一种对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以内。当机床发生振动时，振动会让加工刀具的轨迹发生偏移，从而出现加工误差。有时机床振动的幅度非常明显，工作人员凭肉眼可视及、身体触觉就能了解机床发生了振动，此时，人工可以即时给予干预，排除故障。有时机床的振动幅度极小，工作人员不能凭肉眼观察和身体触觉发现机床出现了振动，然而这样的误差却影响了零件加工表面的质量。这时，只能对加工的误差进行分析，发现机床振动的故障，然后排除相应的故障。工作人员在应用数控机床加工时，必须时刻关注机床是否发生了故障。

1 机床加工过程振动的产生机理

关于切削加工中出现的振动问题，国内外学者曾对它进行过研究。国内外学者认为，机床工作时必然会出现振动，振动的产生分两种。第一种为受迫振动。即当某种外来压力作用在机床上时，机床会发生振动，如果外来施加的压力不稳定，那么机床发生的振动可能会产生较多的变化；如果施加的压力稳定，那么机床会发生周期性的振动。外来压力带来的振动与外来的驱动力有关，和机床本身固有的频率无关。第二种为自激振动。这是指机床在加工时，需要接受外来的能源，由能源为机床提供操作的源动力。而机床在作业时，一定会出现振动。如果机床发生振动的幅度极小，那么可以调节机床设置的作业参数，使机床的振动尽可能不影响加工的质量；如果机床的振动幅度过大，那么机床不仅在振动的过程中会消耗掉不必要的能源，还会影响加工质量。以此机理可知，如果要减少振动对加工质量的影响，就要在加工时，排除外来施加的压力，通过排除故障来减少较大的振动，然后应用调节参数的方法控制较小的振动，确保机床加工的质量。

2 机床加工过程振动的特性

为了说明机床加工过程振动的特性，需对机床的作业机理进行分析。在零件加工时，装有天然金刚石的刀具会被固定在刀架上。刀具会依固定的角度完成零件的切削工作。刀架会在主轴刀盘的带动下高速旋转，完成零件的切削工作。零件被吸附在工作台的真空吸盘上，工作台依据机床设备给出的指令完成给进作业。由此，零件在设备上依流程位移，刀具依流程完成切削作业。在没有外力的作用下、在假设设备不受能源供应影响的前提下，零件表面切削的成果应当一致，没有误差。而现在，无论是由于外力的作用，或者是由机床设备能源供应的作用，机床出现了振动，那么振动带来切削的动作会临时出现位移，并且刀具作用在零件表面时可能产生异常的作用力，移位及异常作用力会在零件切削的过程中产生微波纹。当微波纹大到精确度要求以上的数值时，零件生产的表面质量就不符合加工的要求，被认定为废品。振动，会对主轴系统、切削系统（含刀具与刀具与工件接触的部位）、递进系统、切削液供给系统产生影响。机床加工过程带来的振动，不仅会影响零件表面加工的质量，还会带来机床能源消耗过大的问题，机床零件受到过多物理冲击而性能下降、寿命下降的问题。

3 机床加工过程振动对加工表面质量的影响

人们要求应用数控机床加工零件时，必须控制零件表面的质量，并且零件表面的精度越高就越能满足人们的需求。随着未来科学技术向前发展，社会向前发展，人们会进一步提高零件表面加工精度的要求，而不会降低要求。为了提高零件表面加工的质量，现必须分析振动对表面加工带来的各种影响。

（1）系统主轴改变对表面加工的影响。当机床出现振动时，主轴系统会受到影响。比如主轴的零件可能会让构造发生变化、会使主轴系统的零件受到力的影响，从而发生物理性能的变化。当振动极大时，主轴受到的影响会极大，此时主轴系统可能会立即出现故障，那么工作人员就可以排除故障。然而，机床设备的振动有时极为微小，工作人员不了解此时主轴系统的零件发生了变化，当主轴系统的零件一次一次的受到微小的影响时，可能主轴系统的构造就会发生变化，此时，机床的表面加工精度难以保证。比如无论是刀具架，还是固定零件的吸附盘，都与系统的主轴相连。当系统发生了振动时，系统会受到一定程度的冲击，这种冲击会改变主轴的物理性能，也会改变连接的精密度。当主轴系统的物理性能影响了位移操作，并且连接不再紧密时，零件表面的切削加工就会出现误差。在加工过程中，如振动较为微小时，那么系统主轴的改变过程可能极为微小，然而当微小的改变逐渐积累时，机床加工的误差会越来越大。

（2）切削系统改变对表面加工的影响。切削系统在受到振动时，刀具与刀具与零件的接触会受到影响。振动可能会影响刀具固定的效果，可能刀具的角度发生改变，或者刀架固定不再紧密，此时，加工的表面精度就会出现误差。当发生振动时，刀具与零件的接触面接触的压力会发现异常，这种异常的力既会让零件的表面加工发生异常，零件表面给刀具带来的反作用力也会发生异常，此时刀具的刀片物理性能可能会发生变化。比如在实验中发现，在发生振动时，刚性高的刀具误差的改变相对较小；反之，误差就会变大。这就说明振动对刀具刀刃的物理性能产生了影响。切削系统改变对表面加工的影响是即时的，特别是如果刀刃的物理性能发生了变化，表面加工的精密误差就会立即出现。

（3）递进系统改变对表面加工的影响。递进系统在受到振动影响的情况下，递进的轨迹会发生变化，此时，哪怕轨迹变化是微小的，也会让刀具与零件之间接触的位置发生变化。比如当递进系统发生变化时，活顶尖可能会伸出较长，递进系统的零件可能会因为故障，而发生了递进位置位移的现象。有时拖板的松紧度都会发生改变。递进系统发生改变时，会让表面精度的误差随机变化，让微波纹的纹路变得零乱，从而零件表面的粗糙度会变大。

（4）液压系统改变对表面加工的影响。液压系统是由液压泵、液压阀、液压缸、附件共同构成。液压系统在接受能力上，进行操作时本身就可能会因为流体压力的变化带来振动。当液压系统开始振动，引起主轴系统、切削系统、递进系统振动时，这些机械与机械之间的作用力会给液压系统带来反作用力，这种反作用力会让液压系统的振动再次发生变化。液压系统的改变，会影响整个机床振动的大小，可以说，一旦液压系统的性能发生了变化，机床的振动幅度马上发生变化，它是使零件表面加工粗糙度变大的最根本的原因。

4 结语

分析机床加工过程振动的机理及持征可知，液压系统的液流大小会对机床加工振动的幅度产生影响。当振动产生后，振动会影响主轴系统、切削系统、递进系统，甚至影响到液压系统自身零件的性能、连接的性能。当它们的性能改变时，固定零件的松紧度会发生变化、零件作业时轨迹会发生变化、作业过程中可能会出现异常中断，从而零件表面会出现微波纹。振动越大、微波纹就越大，零件表面的粗糙度就越大。在机床加工过程中，必须了解振动特征及其产生的机理，在生产时需要应用各种方法控制振动的大小，提高零件生产表面的精度。