超声振动车削

2025-01-14

超声振动车削（共5篇）

超声振动车削篇1

0 引言

高锰钢超声振动车削中, 我们如果对其车削用量进改善优化, 可以得出更好的理论依据, 从而指导高锰钢的超声振动车削。此外, 对高锰钢生产加工水平的提高, 也可提高经济效益。

1 超声振动切削原理的阐述

普通的切削过程中, 在刀具上会产生超声波的脉冲, 使其有一种振动变化, 且这种变化很有规律性, 此时切削量也在变化, 而且也是有规律的, 这就是超声振动切削的原理。超声振动切削自身有很多的优点, 即:低温度, 削力小, 较容易掌握加工的精度。因此较普通的切削, 是一种新的切削的方法。在目前大多数的生产加工中, 都被广泛运用。在实质上, 超声振动切削就是一种脉冲切削。

1.1 超声振动切削的加工原理

1) 减少切削摩擦的原理。超声波被加载在刀具上后, 反复的振动对夹紧的车削工件不停地切削, 脱离时, 切削力变化着, 切屑与刀具的摩擦从内部转向外部, 降低了摩擦因数, 这一因数只是原先的1/10, 也就是所谓的滑动摩擦因数。因此, 大大降低了切割摩擦表面, 这样, 材料被加工的质量提升是显而易见的。

2) 切削液发挥作用原理。因为有规则的振动, 空气就作用于切削液, 造成了油和水这个本不会融合的物质产生了融合, 同时形成了较大能量, 切削区域的深处由此注入了切削液, 让切削液的作用得到了充分的发挥, 切削效率大幅度得到提升。

3) 应力和能量集中原理。周而复始的振动, 受其作用的刀具, 根据该加工件的冲击力, 只是在局部受到影响, 最易出现问题的刀刃受到其作用力的影响只是在一个小范围内, 这样, 原先容易发生变化的材料晶格结构, 其变化极小, 出现加工硬化的可能性大幅降低。材料的可切削性得到了保证。

4) 切削时间短原理。超声波是周期性的, 在振动周期内属于切削作用力切削的只是1/3, 与普通切削时间相比, 超声波切削时间更短, 切削力比普通切削小得多。

1.2 超声振动切削的特点

和普通切削相比较, 超声振动切削的特点是:切削力只有普通切削的1/3~1/10;切削温度低, 表面粗糙度值低, 加工精度高, 提高了切削液的润滑、冷却效果;刀具的使用寿命长, 振动切削铸成了切削时比较高的刚性, 采用振动切削后, 可以在工件表面见到非常明显的七彩状, 其耐磨损性和耐腐蚀得到了明显的提高。

1.3 超声振动切削的运用

在实际的工作生活中, 和普通的切削进行比较, 超声振动切削自身有很多的优势, 因而被较多地运用在制造业和通讯业等领域内。有些材料非常难加工, 是机械、通讯加工业的难题。但是, 这些难加工的材料使用超声切削的方法, 问题就会得到解决。通常, 超声振动切削主要加工以下材料:冷硬铸铁、不锈钢、高锰钢属于比较难加工的材料, 此外, 还有工程陶瓷、钛合金、耐热钢、高温合金等;使用超声振动切削加工硬度极高的工件, 可使加工精度更高, 表面质量更好, 如加工高速钢等。

2 优化高锰钢超声振动车削用量

2.1 超声振动车削高锰钢用量的优化

高速铁路中的铁轨材料使用的就是高锰钢。因此高锰钢越来越广泛的被应用。MATLAB语言编程, 可以将超声振动车削高锰钢用量程序直观地显示出来, 图1 就是运用这一语言编程。

2.2 优化高锰钢超声振动车削用量的例证

本文以CF6140 机床为例, 对优化高锰钢超声振动车削用量的结果进行阐述。

CF6140 机床基础参数如表1 所示。刀具寿命公式系数如表2 所示。主切削力经验公式系数如表3 所示。

将表1~表3中的控制参数进行设置, 将数据代到程序中, 将高锰钢超声振动车削用量进行具体的运算。因为输入不同的目标函数, 由此也得出不同的优化结果。本文选定设置了几个优化对象, 即最大生产率、最小生产成本、多目标函数等, 在优化程序的友好界面将具体数据输入, 就会出现不同的优化结果。

1) 最大生产率。将目标函数选择设置为最大生产率, 设定超声振动车削高锰钢用量的具体数据, 并代入到目标函数和约束条件里面, 剩余因素均不考虑, 可以选择遗传运算法, 交叉、变异运算, 最终将优化结果得出, 如图2所示。

2) 最小生产成本。将目标函数选择设置为最小生产成本, 设定超声振动车削高锰钢用量的具体数据, 并代入目标函数和约束条件里面, 剩余因素均不考虑, 可以选择遗传运算法, 交叉、变异运算, 最终将优化结果得出。如果目标函数是以最小生产成本对应高锰钢超声振动车削用量, 此结果就是我们最终获得的优化参数, 如图3 所示。

3) 多目标函数。与单目标函数的优化过程进行比较, 多目标函数的优化过程也是一样。如果目标函数是多目标函数, 对应高锰钢超声振动车削用量, 此结果就是我们最终获得的优化参数, 如图4 所示。

2.3 高锰钢超声振动车削用量优化结果分析

如上所述, 根据上面得出的优化数据, 可见在优化模型基础下, 高锰钢超声振动车削用量, 在加工效率及经济效益方面, 都可以得到很好的结果。这个结论安全可靠, 而且具有很强的操作性, 非常合理。我国超声振动切削技术发展相对缓慢, 根据不同的目标函数, 我们得出了优化结果值, 并对其以后的进一步研究提供了理论依据。如果车加工表面与工件变化时, 只需重新输入具体的参数到优化流程的友好界面, 自然得出相应的高锰钢超声振动切削量, 操作方便, 实用性强。

3 结语

综上所述, 高锰钢超声振动车削, 是一项新颖的技术。本文就高锰钢超声振动车削用量优化, 建立了数学模型, 对其求解中运用了遗传算法。论文将目标函数设定为最高的生产率、参数的最小组合以及兼顾生产成本的多目标功能, 通过MATLAB编程语言, 以达到最佳的超声波振动车削高锰钢的切削用量。

摘要：介绍了超声振动切削原理, 研究了振幅对刀具寿命的影响。采用MATLAB语言编程, 对高锰钢超声振动车削用量进行优化, 通过实例对高锰钢超声振动车削用量优化进行了验证。

关键词：高锰钢,超声振动车削,振幅,测试研究

参考文献

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设计减振装置消除车削振动及噪声篇2

在金属切削加工过程中, 机床本身的调节环节把外界固定能源的能量转变为振动的交变力, 从而引起持续的周期性振动, 这种振动为自激振动, 又称为切削振动。切削振动是加工过程中刀具和工件之间产生的强烈自激机械振动, 如果不加以控制, 将会导致工件加工表面粗糙, 刀具寿命降低并产生噪声, 严重时使加工过程无法进行。

1 存在的问题

图1是我们众多民品生产中的一个零件。

该零件热处理后再进行后续的机械加工。其中有一道加工工序是将其外圆φ127 mm加工到φ111 mm, 总加工长度为340 mm, 如图2所示。

根据车间现有的加工设备, 此道车削加工工序被安排到仿形车床CE7120上进行。

该零件材料为50Si Mn VB, 一端的内部是很深的盲孔, 另外一端的内部也是盲孔。该零件毛坯经热处理后硬度值为38~42HRC, 属于较硬材质。加工之前零件的单边壁厚为16 mm, 此道工序加工后, 零件的单边壁厚为8mm, 由于零件的单边壁厚变得越来越薄, 从而产生了车削振动, 并伴随着非常刺耳的噪声。

2 分析及解决问题

虽然我们选择了合适的刀具材料和刀具参数, 同时将主轴转速、进给量和背吃刀量等切削参数选择在切削加工稳定区域内, 在一定程度上减小了切削振动, 但是还有切削振动产生, 并伴随噪声。

工件系统往往是产生自激振动的薄弱环节, 通过合理的装夹方式, 适当增加辅助支承, 可大大提高工件系统的刚度。

使用摩擦吸振也是一种最直接的抑制机床振动的方法。可把主振系统的振动能量转化为附加吸振系统的运动能量, 从而抑制主振部件的振动。

分析该零件的特殊结构, 零件的壁厚在切削过程中变得越来越薄, 零件本身的刚性减弱, 如果增加一个辅助支承, 则零件的刚性就会提高, 同时辅助支承与零件接触并摩擦, 这种摩擦吸振把主振系统的振动能量转化为附加吸振系统的运动能量, 从而可抑制主振部件的振动。为此设计了一种减振装置, 如图3所示。

1.底座2.顶轮3.气缸

1.减压阀2.手动阀3.调速阀4.气缸

图3中底座安装在仿形车床CE7120的床身下导轨上, 气缸及顶轮部分通过中间的安装板固定在底座上。气缸的顶出力通过减压阀可以调整, 顶轮的移动速度可以通过调速阀调节。气动原理图见图4。

在减振装置图3中使用气缸可使顶轮上下移动, 不影响操作者上下料。气缸的顶出力可以调节, 不容易引发附加力, 不会造成工件变形。当顶轮与工件外圆接触时, 顶轮与工件之间产生摩擦, 把主振系统的振动能量转化为附加吸振系统的运动能量, 从而抑制主振部件的振动, 大大降低了噪声, 改善了生产环境。

3 经济效益

该套减振装置的使用, 有效抑制了切削振动, 提高了刀具的使用寿命和产品质量。由于切削振动, 原来使用的刀具一个切削刃只能加工2~3件工件。安装减振装置后, 切削振动大大减小, 刀具的一个切削刃可以加工5~6件工件, 提高了刀具的使用寿命。

未使用减振装置之前, 操作者必须带上耳塞;使用减振装置后噪声大幅度降低, 改善了生产现场环境, 有利于操作者的身体健康。

4 结语

该套减振装置在设计时就已考虑其通用性, 安装和维修也很方便, 制造成本低, 可以推广用于其它类似零件的加工过程中, 对于薄壁零件在加工时产生切削振动, 可以考虑增加该装置以减小切削振动, 提高刀具的使用寿命, 提高加工质量, 它将具有广泛的使用前景。

参考文献

[1]袁哲俊, 刘华明.刀具设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1999.

浅论车削加工中的振动与控制篇3

在车削过程中产生的振动, 不仅干扰了正常的切削过程, 严重影响了加工件的表面质量, 还会缩短机床及刀具使用寿命。由此产生的噪音甚至可能影响到操作者工作情绪, 对正常工作的开展带来一定负面影响;而为了减少振动, 往往不得不减少加工时的进刀量, 从而降低了生产率。本人通过在工作中对这一现象不断观察、分析、实践、总结, 取得了一些效果, 现提出一些看法供大家探讨。

(1) 振动的分类一般来讲, 在机械加工中产生的振动都具有受迫振动和自激振动, 与机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的动态特性有关。在消除机床回转组件 (如电机、工件、旋转轴等) 和传动系统 (如皮带轮、滚动轴承、液压传动系统的压力脉冲等) 的振动后, 车削加工中的振动主要是不随车削速度变化的自激振动, 主要是车削过程中工件系统的弯曲振动 (其频率接近工件的固有频率的低频振动) 和车刀的变形产生的弯曲振动 (其振动频率接近车刀的固有频率的高频振动) 。

(2) 振动原因分析低频振动的振动频率较低, 通常发出的噪音比较低沉, 振动较为剧烈, 在加工表面留下的振动痕迹深而宽。在低频振动时通常工件系统和刀架系统都在振动, 它们时而趋远, 时而趋近, 产生大小相等方向相反的作用和反作用力。在振动过程中, 当工件与刀具趋远时, 切削力F趋远与工件位移方向相同, 所做之功为正值, 系统获得输入能量E (+) , 当工件趋近刀具时, 切削力F趋近与工件位移方向相反, 所做之功为负值, 系统消耗能量E (-) , 在车削过程中, 由于各种因素的影响都可能引起切削力周期性的变化, 并使F趋远>F趋近, E (+) >E (-) , 即在每一振动周期中, 切削力对工件 (或刀具) 所做之正功总是大于它对工件 (或刀具) 所做之负功, 从而使工件 (或刀具) 获得能量补充产生自激振动。在车削过程中, 影响切削力周期性地变化, 并使F退出>F切人的情况有以下几个因素:

①切削与刀具相对运动产生的摩擦力。在加工韧性钢材时径向切削分力F开始随切削速度的增加而增大, 自某一速度开始, 随切削速度的增加而下降。据切削原理可知, 径向切削分力Fv主要取决于切削与刀具相对运动产生的摩擦力, 即切削与刀具前刀面的摩擦力。摩擦力具有随摩擦速度的增加而下降的特性, 即负摩擦特性。在机械系统中, 具有负摩擦特性的系统容易激发切削振动。

②再生切削时因工件在前一转时振动留下的痕迹引起切削厚度周期性的变化, 从而影响切削力的周期变化。一般说, 后转 (后次) 切削的振纹相对于前转 (前次) 切削的振纹总不同步, 它们在相位上总有一个差值φ, 在一个振动周期中, 对振纹曲线Yn=Ycosωt, Y n (t) 在相位上滞后于前次的Yn-1 (t) 即0<φ<π的情况, 可以看出, 在振出的半周期中的平均切削厚度大于振人的半周期中的平均切削厚度, 于是振出时的切削力所做的功大于振人时切削力所做的负功, 系统就会有能量输人, 振动就有可能得以维持。于是Yn比Yn-1超前φ的情况, 则正好和滞后时的情况相反。

③振动时, 刀尖相对运动的轨迹是一个形状和位置都不十分稳定的, 封闭的近似椭圆。这种情况在车削螺纹或用宽刃刀 (刃宽小于螺距) 车削方牙螺纹的外圆时易产生, 这时后一转的切削与前一转切削表面完全没有重叠。因椭圆轨迹随相位差变化而变化, 从而引起切削面周期性变化, 最终引起切削力周期性的变化。

④刀具在切人和退出工件时所遇到的金属硬化程度不同, 从而使切削力在变化。除此以外, 振动过程中刀具实际几何角度周期性改变也会引起切削力的周期性变化。

2 消振措施

消振措施由上面的分析可知, 系统是否发生切削颤振, 既与切削过程有关, 又与工艺系统的结构刚度有关, 针对振动的特点, 特提出相应的消振措施:

(1) 在低频振动时, 主要是由于Y方向的振动引起了切削力的变化, 便得F趋远>F趋近, 而产生了振动。因此, 除了增加系统沿Y方向的刚度及阻尼外, 设法减少切削分力Fy及任何阻止工件与刀具沿Y方向的相对位移的因素, 通常都能减弱或消除振动。主要可采取下面几种措施:

①车削时, 一般当v=30~70m/min速度范围内, 容易产生振动, 因此选择车削速度时应避开出现切削力随速度下降的中速区, 在高速或低速范围进行切削, 自振极不易产生。

②应尽量避免宽而薄的切屑的切削, 否则极易产生振动。在许可的情况下 (如机床有足够的刚度, 足够的电机功率, 工件表面粗糙度参考值要求较低时等) , 适当增大进给量和减小切削深度也有助于抑制振动。

③适当增大刀具前角γ可减小Fy力, 从而减弱振动。但在切削速度较高的范围内, 前角对振动的影响将减弱, 所以高速下采用负前角切削, 不致产生强烈的振动。通常采用双前角消振刀, 利用图1前面的宽度f来控制刀具和切削的接触长度, 可显著减小切削力, 从而抑制振动。低速时γ1>0, 高速时γ0<0, γ1与γ2之间相差15°

④当切削深度和进给量不变时, 随着主偏角Kγ增大, 切削分力Fy减少。因此, 适当增大刀具主偏角, 可以消除或减小振动。

⑤刀具后角太大或刀刃过分锋利, 刀具切人工件时, 容易产生振动。当后角减小到2~3°时, 振动有明显的减弱。在刀具后面磨出一段负倒棱, 如图2所示, 约0.1~0.3mm负倒棱, 可以减小径向切削力和抑制振动。

⑥刀架系统如果有负刚度是时, 容易“啃人”工件产生振动。因此, 尽可能避免刀架系统的负刚度对车削产生的振动。

(2) 工件系统和刀架系统的刚度不是产生低频振动的主要原因, 可采取下面的措施来消除或减小振动:

①用三爪或四爪夹紧工件时尽可能使工件回转中心和主轴回转中心的同轴度误差最小, 避免工件倾斜而断续切削或不均匀切削造成切削力的周期性变化所产生的振动。

②加工细长轴时用跟刀架、中心架可以增加切削过程稳定性。

③在车削时采用弹性顶尖而不采用死顶尖, 避免顶力过大造成工件弯曲或顶力大小起不到支承作用使工件摆动, 并注意尾座套筒悬伸不能过长。

④定期检查中拖板和大拖板、小刀架与中拖板之间燕尾导轨的接触情况, 调整好斜镶条间隙, 避免刀架移动时出现爬行。另外, 可以用刮研联结表面, 增强联结刚度等方法来提高结构系统的抗振性。

⑤合理安排主切削力的方向, 比如在切断和工件反转切削时, 由于切削力的方向与系统最大刚度方向趋于一致会提高系统的稳定性。

3 消除或减小高频振动

高频振动振动频率很高, 产生的噪音尖锐刺耳, 在加工件表面留下的痕迹细而密, 振动时只是刀具本身在振动, 而工件及机床部件却很稳定。其产生的主要原因是由于后刀面磨损较大, 刀具后面与工件之间摩擦的下降性能引起的, 消除或减小高频振动的措施主要有:

(1) 减小车刀悬伸长度。

(2) 加强车刀及刀杆的抗弯刚度。

(3) 及时更换后刀面磨损较大的刀具。

(4) 装刀具时, 应保证刀杆与工件旋转中心垂直, 紧固时要施力均匀, 避免刀杆受力不平衡而弯曲产生振动。

(5) 使用减振装置。

4 结束语

通过这一系列针对车削过程中产生的不同振动, 在分析产生振动的原因后采取响应的措施, 可明显减小车削过程中的振动, 提高了工件表面质量和劳动生产率, 延长了刀具的使用寿命。

摘要：在机械加工中产生的振动都具有受迫振动和自激振动, 与机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的动态特性有关。本文详细分析了车削加工中振动的主要类型及产生的原因、振动的危害, 并从刀具、夹具、切削工艺等方面提出了减小或消除振动的措施。

关键词：振动,高频振动,消振

参考文献

[1]陈宇.车工技师、技能[M].北京:中国劳动和社会保障出版社.2003.

超声振动车削篇4

随着制造技术和信息技术的发展,虚拟制造技术实现了虚拟与现实之间的一种映射,其本质是利用计算机支持的仿真技术实现产品设计、制造的优化。虚拟加工过程仿真是虚拟制造的底层关键技术,包括数控几何仿真和物理仿真两个部分。几何仿真主要是根据数控程序,仿真工艺系统运动部件的几何运动轨迹,而物理仿真是数控仿真的核心,它是通过仿真切削过程的动力学特性来揭示加工过程的物理本质,通常物理仿真研究的内容有工件表面质量模型、切削力模型、切削振动模型、切削材料微观硬度分析模型、切削温度模型、切削加工误差模型和切削加工刀具变形模型等等。由于物理仿真切削机理复杂、建模难度大、涉及因素多等客观原因,目前的研究都还在不断的进行着。如W.J.Emdres建立了车削力的动态模型和工艺系统的振动模型,Sata等开发的刀具与工件相对振动模型,Zhang和Kapoor建立了考虑加工过程中随机振动影响的表面粗糙度模型,合肥工业大学刘光复等人提出了同时考虑工件系统和刀具系统的切削颤振模型等等,但这些模型多是对切削加工过程中的某些物理现象做定性分析,目前所做的研究还不能完全满足生产的要求,尚需作进一步的研究。本文在前人分析的基础上,对CJK6140数控车削切削振动模型进行研究,为分析刀具振动对加工工件表面质量和切削力的影响打下基础。

1 数控车削振动的形式

切削加工过程中由于各种干扰因素的存在,切削振动是无法避免的。切削中如有振动发生,不仅会降低工件的表面质量,加剧刀具磨损,破坏机床的连接特性,还会产生刺耳的噪声,严重污染环境。由于车削系统是由机床-工件-刀具构成,在车削加工中存在着各种形式的振动,按照受力类型来分,主要有受迫振动、自由振动、自激振动和混合型振动。

1.1 受迫振动

指切削加工过程中传动机构的不平衡力,断续切削的冲击力,从机床、工件、刀具中产生的脉冲性干扰而引起的振动。

1.2 自由振动

指切屑生成的周期性、断续切削产生的交变切削力,空运转时已存在的周期性激振力,刀具碰到工件材质不均的硬点产生的动态力,通过机床系统本身的弹性恢复维持的振动。

1.3 自激振动

又称颤振,是在工件和刀具之间自发产生的振荡,是由再生效应、切入效应、切削力下降特性、摩擦效应及振型关联等原因产生的交变切削力引起的振动。自激振动是由于机床—刀具—工件系统本身造成的。

1.4 混合型振动

综合了受迫振动和自激振动的变化规律。从车削振动类型分析中可看出,车削加工过程中振动形式多样,机理复杂,涉及到工艺系统的多方面因素。因此研究车削振动应从总结切削加工中的振动规律入手,重点分析切削系统的振动特点,建立适合仿真系统开发与应用的振动模型。

2 数控车削振动模型分析

在数控车削加工系统中,由于加工过程的振动既影响工件表面质量和机床的稳定性,又影响刀具的磨损,因此对振动的仿真既能预测工件表面粗糙度和刀具寿命,还能确定机床的稳定性极限。而切削力、工件材料、刀具形状、机床刚度等因素都影响机床的振动,因此对加工系统进行合理简化以建立既能反映实际情况,又便于分析车削系统振动特性和振动规律的振动模型是必要的。由于数控车削沿工件径向的振动直接影响切削深度,进而影响切削力的变化和表面粗糙度,再生效应引起的振动也主要出现在工件的径向,径向振动对表面粗糙度的影响也最大。因此本文研究切削力引起的径向振动情况,如图1所示。

根据前人的研究理论,可将径向振动的方程采用单自由度二阶模型来表达,即:

式中m、B、k是车削仿真模型在径向的等效质量、阻尼系数和弹簧弹性系数,f(t)为径向的切削力分量。

3 CJK6140物理仿真振动模型的实验研究

针对CJK6140物理仿真模型的数学表达式,通过实验测量振动模型在径向上的工艺系统参数,包括测量车床系统的静刚度及阻尼,由此可确定该系统的数学模型。

3.1 车床工艺系统静刚度的测量

工艺系统的刚度表征工艺系统抵抗变形的能力,一般可用力和在该力作用下的静态位移的比值来表示,即:

车削加工工艺系统是由机床、刀架、尾座、工件组成的复杂系统,刀具和工件的相对位移是组成工艺系统的各个部件位移的叠加,工艺系统的静刚度与各个部件静刚度的关系为:

式中k1到k4分别为机床、刀架、尾座和工件的弹性系数。

由于工件材质的不均匀、材料表面的硬度差异及切削点的变化等因素,导致加工工艺系统的刚度是时变的。本文的研究将工艺系统的参数中工件部分参数单独计算,其他部分由实验确定的阻尼视为工艺系统阻尼。

按JBIT4368.4-96标准中5.5项静刚度实验之规定,采用力传感器和千分表在CJK6140车床上测得主轴部件、刀架和尾座的位移及刚度如表1所示。

依据上述公式,可得工艺系统的静刚度为:

3.2 车床工艺系统阻尼的测量

本文通过测量工艺系统的阻尼比来确定工艺系统的阻尼。由机械振动理论知,振动系统的各参数存在以下关系:

则工艺系统的阻尼B为:

而阻尼比ζ的测量方法有自由振动法和共振法。本文采用共振法。其原理是单自由度系统在受迫振动时,当激振频率接近系统固有频率时振动响应显著增大,根据其幅、频率响应曲线估算出振动系统的动态参数。共振法分为幅频曲线分析法、实虚部频率特性分析法和相频曲线分析法三种方法。

幅频曲线分析法是对系统施加正弦激励信号,输出达到稳定后测量输出与输入的幅值比和相位差,逐渐改变激励信号的频率,绘制系统的频幅特性曲线。曲线幅值最大处的频率就是系统的固有频率,在固有频率的处作频率轴的平行线,相交特性曲线于a、b两点,这两点处对应的振动频率分别为ω1、ω2,如图2所示,则阻尼比ζ为:

经实验测量,系统的阻尼比ζ=0.05,B=0.783N.s/um,m=9.985kg

3.3 车削径向力的确定

在(1)式中的f(t)为激振力的径向分力,可由两种方法换算得到。一种是根据车刀的前角、刃倾角、主偏听偏角等几何角度,由各车削分力的空间关系计算出;另一种是由车削力的经验公式直接得到。本文不再讨论。

根据实验数据可得到本CJK6140数控车床径向切削振动的物理模型为:

4 结束语

虚拟仿真的目的就是在计算机内部对加工过程进行仿真,并在此基础上对加工过程进行预测和评价。本文在简要回顾数控仿真类型的基础上,分析了数控车削过程中的振动类型,建立了CJK6140数控车削过程中刀具沿工件径向单自由度振动仿真模型,并通过实验确定了工艺系统振动模型的系数,为CJK6140数控车床的振动仿真提供了理论依据。

参考文献

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浅谈车削加工过程中的振动与控制篇5

车削加工过程中, 工件和刀具之间常常产生相对位移, 影响刀具与工件之间的正常运动轨迹。当车床发生震动时, 工件表面质量恶化, 产生明显的表面振纹, 工件的粗糙度增大, 这时必须降低切削用量, 使车床的工作效率大大降低。强烈振动时, 会使车床产生崩刃现象, 使切削加工过程无法进行下去。由于振动, 将使车床和刀具磨损加剧, 从而缩短车床和刀具的使用寿命;振动并伴随有噪音, 影响操作者身心健康, 污染工作环境。

车床振动可分为自由振动、强迫振动和自激振动。当振动系统的平衡被破坏, 由弹性力来维持系统的振动, 称为自由振动 (如图1) ;工艺系统在外界激振力作用下产生和维持的振动叫强迫振动 (如图2) ;没有外界激振力由系统内部激发与反馈的互相作用而产生稳定的周期性振动称为自激振动 (如图3) 。

2 车床振动的振源

分析振动的原因, 寻找振动的来源, 对于提高加工质量和加工效率、改善工作环境是十分重要的。振源来自车床内部的, 称为机内振源;来自车床外部的, 称为机外振源。

由于自由振动是由切削力的突然变化或其它外力冲击引起的, 可快速衰减, 对车床加工过程影响非常小, 可以忽略不计。

2.1 强迫振动的振源

2.1.1 机内振源

车削中, 电动机转子、带轮、主轴部件及传动齿轮等旋转零件存在质量偏心而引起振动;传动件齿轮的制造误差、滚动轴承误差、V带厚度不均匀、平带的接头等;断续切削时刀具与工件发生冲击, 使工件的切削部分与空档部分有节奏地交替, 因而产生周期性激振力引起振动;夹具和工件在卡爪上的装夹偏心, 使其在旋转时产生离心力惯性而引起振动。

2.1.2 机外振源

当车床邻近有空气压缩机、锻锺、冲床及通道运输时, 它们振动就会引起机床地基的振动, 地基把振动传给机床, 使地基同机床一起振动。

2.2 自激振动的振源

车削中出现的振动主要是自激振动。主要包括工件系统的弯曲振动和车刀的弯曲振动。车床卡盘、主轴与尾座以及工件的等效刚度较低, 在车削细长轴类工件、用卡盘夹持直径较大工件时车床大多发生振动。

3 振源分析

3.1 查找车床振动振源的框图, 见图4。

3.2 车床主轴箱内振源分析

一方面主轴箱中齿轮、轴承等零部件设计、制造及装配过程中存在某些不足之处, 另一方面长期工作过程中使得某些零件失效, 导致主轴箱在工作过程中产生了振动。齿轮在啮合时引起冲击产生频率为啮合频率的振动, 主轴安装偏心所引起周期性振动;轴承的损伤所引起周期性冲击或者激发自身的各个元件以固有频率振动;以及其它因素所引起的振动。现以CA6140车床为例。对CA6140主轴箱传动系统中轴的回转频率和齿轮啮合频率进行计算和实际测量 (计算过程从略) 。由于主轴转速档位较多, 故仅选取主轴转速为200rpm时计算主轴箱内各轴的回转频率和齿轮啮合频率, 计算结论数据如表1所示;主轴前端D3182121双列向心短圆柱滚子轴的有关元件脉动频率计算结论数据如表2所示。

3.3 数据分析

经过大量实践分析对比, 发现主轴箱内频率为f=173HZ、f=790HZ对切削力影响很大, f=173HZ频率的振动主要是通过工件直接传输给刀架的, 而f=790HZ一部分能量通过车床床身传递给刀架, 一部分能量通过工件传递给刀架。

进一步对f=173HZ, f=790HZ频率所产生振动原因进行分析=计算并与表1、表2对比。得出如下结果:f=173HZ是由主轴前端的双列向心短圆柱滚子轴承的内圈滚道表面粗糙度很大所引起的, f=790HZ为轴承上齿轮 (Z=56) 的啮合频率, 由摩擦片离合器在啮合处刚性不足造成齿轮啮合时不平稳所引起的。

通过以上分析可知, 在切削过程中, f=173HZ和f=790HZ振动频率对切削力影响很大。f=173HZ是由主轴前端的双列向心短圆柱滚子轴承所引起的;f=790HZ是由轴承上的齿轮啮合时不平稳所引起的。

4 车床振动的控制

4.1 对强迫振动的控制

4.1.1 减小激振力。减小激振力也就是减小由于回转元件的不平衡所产生的离心惯性力与断续切削时所引起的冲击力。对转速较高的电动机转子、主轴部件、卡盘等采取平衡措施, 主轴传动采用斜齿轮或人字齿轮。

4.1.2 带传动、带接头要好, V带厚度要均匀, 带拉力要适当。

4.1.3 主轴上应选用精度较高的滚动轴承。

4.1.4 调节振源频率, 以避开共振。

4.1.5 提高工艺系统的刚性和增加阻尼。

车床系统的刚度增加, 对振动的抵抗能力随之提高。增加系统阻尼也能提高机床抗振能力。

4.1.6 消振与隔振

设置隔振装置, 挖防振沟。用橡皮、软木等隔振材料, 把车床与振源隔开, 对于工艺系统本身工件不平衡, 加工余量不均匀等引起的周期性切削冲击振动, 用阻尼器或减振器。

4.2 对自激振动的控制