Das Geheimnis der Werkzeugmaschinenvibrationen: Entdeckung der Grundlagen, der vier Ursachen und modernster Präventionsstrategien

在现代机械加工范畴之内, 机床身为核心装置, 其性能的稳定是极其关键的。可是, 机床于运行期间经常会出现振动情况, 这不但会对加工精度以及表面质量产生影响, 还有可能致使刀具损坏、让生产效率降低, 甚者会给操作人员的健康带来威胁。所以, 深入去明白机床出现振动的机理、缘由, 并且采取有效的防治办法, 具备重大的现实意义。

I. Mechanismen, die zu Vibrationen an Werkzeugmaschinen führen

（一）erzwungene Schwingung

强迫振动, 是由稳定的外界周期性干扰力作用而引发的。机外的其他机床、锻锤、火车、卡车等, 会借助地基将振动传递给机床。机内的回转零部件质量不平衡、机床传动件存在制造误差和缺陷, 以及切削过程中的冲击等, 同样会产生强迫振动。

频率与干扰力的频率相同, 或者为干扰力频率的整倍数, 这是强迫振动的一个特征, 幅值与干扰力幅值以及工艺系统动态特性有关, 强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个角度, 这是其相角特征。

（二）selbsterregte Schwingung

自激振动是一种周期性振动, 这种振动并非由周期性外力作用引发, 而是由系统其内部经激发反馈而产生的。在切削情况里, 过程自身能够引发某种呈现交变状态的切削力, 并且振动系统可以从该种力出现的变化当中获取补充能量, 依靠此补充能量来维持振动状态。

自激振动有这样一些特征，其无需周期性外力进行干扰, 频率差不多接近系统某一固有频率, 不会衰减, 是由振动系统自身参数予以决定的, 并且取决于系统每周期所获得以及消耗能量的对比状况。

II. Ursachen für Vibrationen an Werkzeugmaschinen

(1) Elektrische und mechanische Faktoren

1. Probleme mit dem Motor

电机自身的磁极属于永磁体, 其在运动之际, 会因磁滞现象而出现小幅度的波动, 又或者是成因于机械静摩擦以及机械刚性欠佳, 从而引发出低频振动。针对线性电机而言, 能够运用参数去补偿因磁滞所产生的振动。

2. Probleme mit den Antriebskomponenten

高速旋转着的砂轮以及皮带轮等处于不平衡状态, 三角皮带的厚度还有长度并非一致, 油泵工作呈现出不平稳的状况等, 这些情况都会引发机床的受迫振动。齿轮传动、带传动、链传动等传动设备出现不平稳的情况, 同样会致使振动的产生。

(2) Probleme bei der Parametereinstellung

1. Die Verstärkungen des Positions- und des Geschwindigkeitsregelkreises stimmen nicht überein

会引发低频率的振动, 通常先是提升速度环增益, 再接着降低位置环增益。

2. Vibrationsbefehl

鉴于指令的插补周期是 8ms, 于提高速度增益以及位置增益之际, 有可能致使信号出现振动, 又或者因 VFF 的作用而产生高于 400HZ 的振动。能够经由调整 FAD 时间常数、插补后加减速时间常数或者适度减小 VFF 设定值来予以消除。

(3) Probleme bei der vollständig geschlossenen Regelung

要是系统运用全闭环控制, 若机械连接的刚性欠佳, 于移动之际, 特别是在加减速之时，则会出现振动现象。这种振动主要源于机械侧的位置反馈与电机侧的速度反馈之间存在不一致的状况。能够采用增添机械速度反馈功能、追加振动抑制控制功能、运用双位置反馈等方式予以解决, 然而其效果或许并不理想。

(4) Besondere Fälle

对应重力轴, 于下降之际, 鉴于能量反馈至电机, 进而再到放大器, 会引发振动；针对轴而言, 所连接的两个电机, 其速度以及负载特性存在差异, 会导致外乱振动产生。

III. Maßnahmen zur Vermeidung und Bekämpfung von Vibrationen an Werkzeugmaschinen

(1) Maßnahmen zur Vermeidung und Bekämpfung von erzwungenen Schwingungen

1. Reduzierung der Erregungskräfte

对处于高转速状态的相关零件开展平衡工作, 以此提升传动设备所具备的平稳性, 运用合理的举措去降低加工运行的速度, 还要把加工机床的主体以及动力分别进行放置。

2. Frequenz der Schwingungsquelle anpassen

在机械加工期间, 要合理挑选转速, 以此来防止激振力频率跟系统共振频率一样, 进而引发共振。

3. Verbesserung der mechanischen Steifigkeit und Dämpfung

采用柔性联接来隔离电机振动, 把液压部分与机床进行分开, 采用液压缓冲装置, 使用防振物品隔离机床跟地面的联系等。

4. Maßnahmen zur Schwingungsisolierung

采用弹性效果良好便于起到隔离作用的隔振设备, 把机床跟振源隔离开来比如把液压相关部分同机床隔离开, 增添用来缓冲的装置经过一些技术或手段来隔离在用橡胶材质的垫子等方式, 另外还能够在加工工艺所涉及的系统里放置具备减震功能的装置。

5. Verbesserung der Stabilität der Hubvorrichtung

使皮带以及接头得以完善, 要更多地去运用三角皮带, 并且尽可能地达成均匀的状态, 采用斜齿轮或者人字齿轮来替换正齿轮, 对三角带拉力予以适度调整, 还要合理地挑选长度。

(2) Schutzmaßnahmen gegen selbstangeregte Schwingungen

1. Sinnvolle Wahl der geometrischen Parameter und Schnittparameter des Schneidwerkzeugs

在所限定的一定范围之内去选择切削的速度, 挑选采用较小的切削深度以及较大量的方式来减轻自激振动。经过试验以及理论研究显示表明, 刀具具的主偏角以及前角是对振动产生影响的主要几何参数。

2. Verbesserung der Schwingungsfestigkeit des Prozesssystems

对于工艺系统接触刚度的提高, 像针对接触面开展刮研工作, 将主轴系统轴承间隙予以减小, 给滚动轴承施加预紧力, 把顶尖孔研磨质量予以提升等。运用中心架或者跟刀架, 使镗杆以及刀具悬伸量得以缩短, 用死顶尖去替代活顶尖, 采用弹性刀杆等。

3. Einsatz von Schwingungsdämpfern

当别的方法没办法达成减振成效的时候, 运用减振装置去吸纳或者耗费振动所生成的能量, 削弱强迫振动与振颤, 然而却无法提升工艺系统刚度。

4. Anpassung des Steifigkeitsverhältnisses der Schwingungsmoden

依据振型耦合的原理, 对各振型的刚度比进行合理地调整, 并且对其组合加以合理地调整, 如此一来, 能够提高系统的抗振性, 进而抑制自激振动。

(3) Sonstige umfassende Bekämpfungsmaßnahmen

1. Die Ursachen für die Entstehung von Schwingungen beseitigen oder abschwächen

减弱机内干扰力的幅值, 调节振源的频率, 运用隔振的措施, 提升工艺系统的刚度、阻尼, 使用减振装置。

2. Beseitigung oder Abschwächung der Bedingungen, die zu selbstangeregten Schwingungen führen

把切削或者磨削之际的重叠系数予以减小, 对切削用量以及刀具参数合情合理地去选择, 将振动系统里小刚度主轴的位置加以调整, 把切削阻尼予以增加, 采用变速这种加工方式。

3. Verbesserung der dynamischen Eigenschaften des Prozesssystems

Die Steifigkeit des Prozesssystems erhöhen und dessen Dämpfung verstärken.

综上所述, 机床出现振动属于一个繁杂的问题, 要从多个角度去展开分析以及防治。经由深入弄清楚振动的原理以及成因, 采取高效的防治举措, 能够提升机床的加工精准度以及稳定性, 延长刀具以及设备的使用期限, 提高生产效率, 为机械加工行业的进步予以有力保障。