金屬切削加工振動(dòng)機(jī)理及工程消除方法
2019-2-19 來(lái)源： 中航工業(yè)洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所 作者： 楊新一
【摘要】: 振動(dòng)問(wèn)題是金屬切削過(guò)程中普遍存在的現(xiàn)象, 通過(guò)研究切削振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理, 并采用仿真模擬計(jì)算與加工試驗(yàn)相結(jié)合的方法, 介紹了金屬切削過(guò)程中振動(dòng)的分類(lèi)與產(chǎn)生機(jī)理。結(jié)合具體的工程應(yīng)用, 利用剛性輔助增強(qiáng)法和加工參數(shù)優(yōu)化法這2 種常用的振動(dòng)消除工程方法, 提出了判別金屬切削過(guò)程中振動(dòng)產(chǎn)生的原因, 以及抑制切削振動(dòng)的工藝設(shè)計(jì)思路, 對(duì)消除切削過(guò)程中的振動(dòng)以及提高零件加工質(zhì)量有著積極的意義。
【關(guān)鍵詞】: 振動(dòng)機(jī)理; 顫刀紋; 工藝技術(shù)。
在金屬切削過(guò)程中, 工藝系統(tǒng)時(shí)常會(huì)發(fā)生振動(dòng)。特別是隨著產(chǎn)品輕量化、功能多樣化的需求,導(dǎo)致薄壁件、長(zhǎng)懸伸零件的設(shè)計(jì)越來(lái)越多, 結(jié)構(gòu)件形狀越來(lái)越復(fù)雜, 在機(jī)械加工過(guò)程中, 時(shí)常會(huì)因?yàn)榱慵偠炔睢⒌毒邉偠炔詈颓邢鲄?shù)設(shè)置不當(dāng)?shù)纫蛩貙?dǎo)致切削過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)。
切削過(guò)程中的振動(dòng)是一種極具破壞性的有害現(xiàn)象, 會(huì)干擾和破壞成形運(yùn)動(dòng), 引起刀刃崩裂,縮短切削系統(tǒng)壽命, 降低生產(chǎn)效率, 產(chǎn)生噪聲污染; 因此, 研究金屬切削過(guò)程中的振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理, 探討抑制振動(dòng)產(chǎn)生的工藝措施, 一直是機(jī)械加工領(lǐng)域的重要研究課題。
1.切削加工振動(dòng)的分類(lèi)
切削過(guò)程中的振動(dòng)類(lèi)型, 包括自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)以及自激振動(dòng)等3 種形式。其中, 自激振動(dòng)可分為再生型顫振、耦合型顫振和摩擦型顫振。
2．振動(dòng)的基本原理
一個(gè)單自由度的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為由質(zhì)量m 、阻尼C 和剛度k 組成的單自由度系統(tǒng)( 見(jiàn)圖1)。
如果系統(tǒng)受到激勵(lì)或是靜止位置偏離原來(lái)的平衡位置時(shí), 并使其進(jìn)行自由的恢復(fù)運(yùn)動(dòng), 系統(tǒng)將做自由振動(dòng)。由于阻尼C 的作用, 其振動(dòng)幅值隨時(shí)間以系統(tǒng)阻尼常數(shù)的函數(shù)衰減。振動(dòng)頻率主要取決于系統(tǒng)的剛度k 和質(zhì)量m 。
2.1 自由振動(dòng)
假設(shè)質(zhì)量為自由質(zhì)量, 不受外力的作用, 靜態(tài)位移為x 0 , 將系統(tǒng)釋放, 由于工藝系統(tǒng)的阻尼作用, 這類(lèi)振動(dòng)會(huì)在外界干擾去除后迅速自行衰減, 對(duì)加工過(guò)程影響較小。
2.2 強(qiáng)迫振動(dòng)
當(dāng)系統(tǒng)受到外力時(shí), 系統(tǒng)將進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)。若施加的外力為恒力時(shí), 系統(tǒng)將經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的過(guò)渡振動(dòng), 然后在靜態(tài)偏離處穩(wěn)定, 當(dāng)外力是諧波力時(shí), 則會(huì)出現(xiàn)持續(xù)振動(dòng)。
金屬切削過(guò)程中引起強(qiáng)迫振動(dòng)的因素很多,例如機(jī)床上齒輪傳動(dòng)不均勻和軸承制造精度不
夠, 刀具上各切削刃間存在高度誤差, 工件上存在斷續(xù)切削或者余量不均、硬度不一致等。
2.3 自激振動(dòng)(顫振)
外界不給予機(jī)床系統(tǒng)任何干擾, 該平穩(wěn)切削加工的過(guò)程將一直保持下去; 然而在真正的生產(chǎn)實(shí)踐中, 往往會(huì)受到很多外界干擾的影響, 也就是說(shuō), 上述的平穩(wěn)切削加工過(guò)程一定會(huì)受到外界的干擾而發(fā)生振動(dòng)。
2.3.1 再生型顫振
簡(jiǎn)便起見(jiàn), 考慮正交切削的情況, 由外界激勵(lì)引起的機(jī)床振動(dòng)使得刀具與工件之間在工件進(jìn)給方向上產(chǎn)生相對(duì)振動(dòng), 則在第1 層切削時(shí), 在原本表面光滑的加工工件表面留下波紋, 該波紋軌跡為x (t —T ), 當(dāng)?shù)? 層開(kāi)始時(shí), 加工的內(nèi)外表面都有波紋, 該波紋軌跡為x (t ), 主軸旋轉(zhuǎn)1周所需的時(shí)間為T(mén) , 本次理論切削厚度為h 0 。其動(dòng)態(tài)切削厚度變?yōu)?
再生型顫振產(chǎn)生示意圖如圖2 所示。從圖2中可以看出, 當(dāng)連續(xù)兩振紋之間的相位差為0 或2π 時(shí), 無(wú)論機(jī)床如何振動(dòng), 動(dòng)態(tài)切削厚度都不會(huì)發(fā)生變化, 此時(shí), 切削加工過(guò)程是穩(wěn)定的; 當(dāng)連續(xù)兩振紋之間的相位差為π 時(shí), 動(dòng)態(tài)切削厚度達(dá)到最大值, 切削過(guò)程中的顛振現(xiàn)象最為嚴(yán)重。
2.3.2 耦合型顫振
耦合型顫振是由于振動(dòng)系統(tǒng)在2 個(gè)方向上的剛度相接近時(shí)導(dǎo)致2 個(gè)固有振型相耦合, 因而引起顫振。在切削過(guò)程中由于切削力的持續(xù)周期性變化, 導(dǎo)致了工藝系統(tǒng)的耦合振動(dòng)。
2.3.3 摩擦型顫振
摩擦型顫振是指切削速度方向上刀具與工件之間的相互摩擦而引起的顫振, 產(chǎn)生的機(jī)理主要是在切削過(guò)程中切削力隨切削速度的增大具有下降的特性, 因而產(chǎn)生1 個(gè)負(fù)摩擦力。而在切削過(guò)程中, 切削速度不斷地發(fā)生著細(xì)微的變化, 導(dǎo)致了切削力不斷地變化, 從而使加工系統(tǒng)發(fā)生顫振。總之, 自激振動(dòng)是由于刀具與工件之間切削力的不斷變化而導(dǎo)致切削厚度隨著發(fā)生變化, 所以等到下一次切削時(shí)又會(huì)產(chǎn)生新的振紋, 如此循環(huán)反復(fù), 在刀具與工件之間形成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng), 這個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)是以切削力激發(fā)、動(dòng)態(tài)切削厚度作為反饋的, 且切削厚度的動(dòng)態(tài)變化與主軸旋轉(zhuǎn)周期T 時(shí)刻前的切削振動(dòng)有關(guān)的延時(shí)反饋系統(tǒng)。
3．切削加工過(guò)程中振動(dòng)消除的工程應(yīng)用
在工程應(yīng)用中, 切削過(guò)程的參與者包括機(jī)床、刀具、夾具和零件, 金屬切削過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)等不穩(wěn)定切削現(xiàn)象和其切削參與者密切相關(guān)。通過(guò)更改切削過(guò)程中參與者的結(jié)構(gòu)及切削參數(shù)可以達(dá)到消除振動(dòng)的目的。常用的振動(dòng)消除工程方法如下所述。
3.1 剛性輔助增強(qiáng)法
隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展, 輕量化、復(fù)雜化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越多, 結(jié)構(gòu)件的剛度問(wèn)題逐漸成為導(dǎo)致加工質(zhì)量差的關(guān)鍵因素, 切削振動(dòng)問(wèn)題頻發(fā)。
由于產(chǎn)品性能限制, 加工零件的結(jié)構(gòu)剛度差,導(dǎo)致切削過(guò)程不穩(wěn)定, 產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。工程中常用的剛性輔助增強(qiáng)方法有剛性支撐法、填充法、粘結(jié)法和工藝柄輔助法等。下述以某型零件為例,介紹工程中消除振動(dòng)所應(yīng)用的剛性輔助增強(qiáng)示例。
方位部件是某型產(chǎn)品中的關(guān)鍵機(jī)械部件, 其涉及到多組精密空間孔系, 裝調(diào)過(guò)程困難, 很難通過(guò)裝調(diào)達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo), 因此采用組合加工的方式來(lái)保證各空間孔系的設(shè)計(jì)精度。該零件的空間孔系幾何公差要求達(dá)到IT5~IT6, 且結(jié)構(gòu)特征中, 包含長(zhǎng)度>190mm 的懸臂結(jié)構(gòu), 加工難度大, 設(shè)計(jì)精度難以保證。組合加工件中各零件的裝配關(guān)系以及組合加工件中的懸臂特征如圖3 和圖4 所示。
在精鏜Φ24 內(nèi)孔時(shí), 內(nèi)孔表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)顫刀紋。該孔系是保證產(chǎn)品精度的關(guān)鍵孔系, 其
加工質(zhì)量決定了產(chǎn)品的使用性能, 因此, 查找該孔系的顫刀原因, 有針對(duì)性地制定解決方案是十
分重要的。
按照加工時(shí)的裝夾關(guān)系對(duì)零部件進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果顯示零件的前4 階振型主要是Φ24 內(nèi)
孔位置產(chǎn)生較大變形, 因此Φ24 內(nèi)孔位置為加工過(guò)程剛度薄弱點(diǎn)。
利用剛性- 非剛性輔助支撐方法, 在零件Φ24 內(nèi)孔位置設(shè)置1 個(gè)支撐裝置( 見(jiàn)圖5), 用于
輔助增強(qiáng)零件的加工剛度, 零件的裝配方式如圖6 所示。
剛性支撐工裝不與加工零件直接接觸。剛性支撐上設(shè)有1 個(gè)容腔, 用以盛裝非剛性材料, 其特點(diǎn)是流態(tài)時(shí)可以填充任意型腔, 固態(tài)時(shí)具有很大的剛性。輔助增強(qiáng)零件剛度后, 零件的首階振動(dòng)頻率提升到934.54 Hz, 加工系統(tǒng)剛度得到了很大的提升, 進(jìn)而加工顫刀紋得到了消除。
3.2 加工參數(shù)優(yōu)化法
加工過(guò)程中的進(jìn)給速度、切削厚度、主軸轉(zhuǎn)速與切削力呈復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系, 切削參數(shù)的選擇直接影響到加工零件時(shí)的切削力大小。對(duì)于低剛度零件, 切削參數(shù)選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致零件產(chǎn)生過(guò)大變形, 從而會(huì)導(dǎo)致加工讓刀或者切削振動(dòng)現(xiàn)象。主軸轉(zhuǎn)速的選擇同時(shí)還關(guān)系著零件加工過(guò)程中的共振, 對(duì)于非連續(xù)切削, 零件承受著周期性變化的切削力, 若切削力變化頻率與零件的固有頻率相近, 將會(huì)導(dǎo)致零件產(chǎn)生共振, 影響零件的加工質(zhì)量。下述以某型零件為例, 介紹主軸轉(zhuǎn)速的優(yōu)選方法。
在零件加工過(guò)程中, 零件受力會(huì)呈現(xiàn)出周期性變化的規(guī)律, 變化周期與主軸轉(zhuǎn)速密切相關(guān),周期性變化的切削力會(huì)對(duì)零件產(chǎn)生周期性的沖擊。若沖擊周期與零件的固有頻率相近時(shí), 會(huì)使零件產(chǎn)生共振, 導(dǎo)致零件表面產(chǎn)生顫刀紋; 因此,合理選擇主軸轉(zhuǎn)速, 對(duì)于避免加工共振、消除表面顫刀紋具有積極的意義。
旋變套筒是某型產(chǎn)品中的關(guān)鍵零件, 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7 所示。由于零件性能所限, 零件圓周面開(kāi)了3 處缺口, 導(dǎo)致零件的剛度降低, 同時(shí)破壞了車(chē)削的連續(xù)性。該零件在加工參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí), 會(huì)在表面出現(xiàn)顫刀紋, 影響產(chǎn)品質(zhì)量。
旋變套筒的前2 階陣型圖如圖8 所示。結(jié)果顯示, 該結(jié)構(gòu)主要在3 個(gè)支撐桿右端發(fā)生變形。仿真計(jì)算結(jié)果可得, 零件的固有頻率為198.95Hz。主軸轉(zhuǎn)速S 與切削力激振頻率p 之間的關(guān)系如下:p =zS/60。式中,p 是激振力頻率,單位為Hz;z 是車(chē)削斷續(xù)點(diǎn)個(gè)數(shù);S 是主軸轉(zhuǎn)速,單位為r/min。
為避免旋轉(zhuǎn)套筒在車(chē)削過(guò)程中產(chǎn)生共振, 應(yīng)使切削沖擊頻率遠(yuǎn)<200 Hz, 即控制機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)<4 000 r/min, 因此在加工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制主軸轉(zhuǎn)速, 避免零件因共振產(chǎn)生顫刀紋, 切削過(guò)程中主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在1 000 r/min 以?xún)?nèi)。
4.基于振動(dòng)抑制的工藝設(shè)計(jì)思路
振動(dòng)在金屬切削過(guò)程中是普遍存在的, 有時(shí)振動(dòng)不明顯, 不會(huì)影響零件表面質(zhì)量; 但有的振動(dòng)比較劇烈, 導(dǎo)致加工零件表面出現(xiàn)嚴(yán)重的缺陷,必須予以減弱或消除。
加工過(guò)程中的各種振動(dòng)都有其產(chǎn)生的機(jī)理,在實(shí)際工程應(yīng)用中, 導(dǎo)致振動(dòng)的原因也不是單一的, 需要工程技術(shù)人員根據(jù)工程實(shí)際情況, 給出合理有效的解決措施。下述給出幾點(diǎn)減少或消除切削振動(dòng)的思路。
1 ) 應(yīng)排除外部振源的影響。外部振源有規(guī)律或無(wú)規(guī)律的持續(xù)振動(dòng)會(huì)通過(guò)機(jī)床傳遞到加工零件表面, 當(dāng)振動(dòng)能量達(dá)到一定范圍時(shí), 零件表面會(huì)出現(xiàn)顫刀紋, 因此需要首先將此因素排除在外。可以為機(jī)床設(shè)備安裝防震墊等措施將機(jī)床與外界進(jìn)行隔離。
2) 應(yīng)考慮切削過(guò)程中的斷續(xù)切削、切削量不均勻問(wèn)題, 該原因是導(dǎo)致切削過(guò)程中強(qiáng)迫振動(dòng)的常見(jiàn)因素。斷續(xù)切削問(wèn)題可以通過(guò)調(diào)整工序設(shè)置,最后加工斷續(xù)槽部分, 從而避免斷續(xù)切削。切削量不均勻的問(wèn)題常見(jiàn)于毛坯粗加工或零件拐角處,可以通過(guò)調(diào)整進(jìn)刀路線、切削參數(shù)等進(jìn)行消除。
3) 應(yīng)考慮工藝系統(tǒng)剛度, 包括加工零件、刀具、工裝和機(jī)床設(shè)備等各個(gè)環(huán)節(jié)的剛度。該類(lèi)問(wèn)題主要的表現(xiàn)形式為工藝系統(tǒng)的剛度不足以支撐該切削過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行, 解決措施主要考慮增強(qiáng)工藝系統(tǒng)剛度或者降低切削力。零件剛度輔助增強(qiáng)方法主要有剛性支撐法、粘結(jié)法、填充法和工藝柄輔助增強(qiáng)法等形式。降低切削力主要通過(guò)調(diào)整切削參數(shù)和刀具來(lái)實(shí)現(xiàn)。
5.結(jié)語(yǔ)
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展, 結(jié)構(gòu)件朝著薄壁化、復(fù)雜化和整體化的方向演變, 其性能指標(biāo)要求越來(lái)越高, 切削振動(dòng)問(wèn)題應(yīng)得到有效的控制和消除。了解切削振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理及消除措施, 可以預(yù)先優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)思路, 最大程度地避免切削過(guò)程中的振動(dòng)現(xiàn)象; 也可以有針對(duì)性地分析切削過(guò)程中的振動(dòng)原因, 快速定位解決切削振動(dòng)的有效方案。工程問(wèn)題是復(fù)雜多變的, 同時(shí)也是有章可循的,掌握工程問(wèn)題基本原理, 積累實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn), 才能高效優(yōu)質(zhì)地完成各項(xiàng)工程任務(wù)。
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