硬核干貨 | 什么是加工中的振動及如何抑制它

加工過程中的振動會產生諸多負面影響，其中最重要的影響包括以下幾點：

切削中的自由振動

圖2：自由振動

當一個初始輸入在機械系統中引發(fā)振動，隨后該系統自由振動時，就會產生自由振動。這類似于你將兒童秋千往后拉然后再松開時所發(fā)生的情況。接著，該機械系統會以其一個或多個“固有頻率”進行振動，然后逐漸衰減至零。

機械加工中的受迫振動

當機械系統受到時變干擾（載荷、位移或速度）時，就會產生受迫振動。干擾可以是周期性的，也可以是穩(wěn)態(tài)輸入或隨機輸入。例如不平衡的洗衣機搖晃或建筑物在地震中振動，這些都是受迫振動的例子。

圖3：受迫振動（f = 頻率，A = 振幅）

系統的頻率響應是受迫振動最重要的特征之一。在一種稱為共振的現象中，當受迫頻率接近輕阻尼系統的固有頻率時，振動的振幅會變得極高。系統的固有頻率稱為共振頻率。當你推著孩子蕩秋千時，必須在正確的時刻用力，才能使秋千越蕩越高。推力只需不斷為系統增加能量。在轉子軸承系統中，任何能激發(fā)共振頻率的轉速都稱為臨界轉速。

加工中的共振振動

機械加工中的共振可能導致系統性的故障。因此，振動分析必須預測何時可能發(fā)生此類共振，并確定預防措施。增加阻尼可以顯著降低振動幅度，改變系統的剛度或質量也可以使固有頻率偏離受迫頻率。如果系統無法改變，或許可以改變頻率（例如，改變機床的速度）。

圖4：共振振動

切削金屬的那些力同樣也會作用于切削刀具。這些力會使切削刀具變形和彎曲，并可能導致振動。

圖5：切削力以及刀具強度不足導致金屬切削過程中產生振動。

切削力的動態(tài)特性可能會導致共振振動。當使用細長的切削刀具或工件、切削力過大、刀具或工件材料缺乏阻尼能力、采用不正確的切削方法或刀具幾何形狀不合理時，出現這種情況的風險就會增加。

圖6展示了一個鋼制刀架（直徑為100毫米，懸伸長度為500毫米）。

圖 6 在某些情況下，動態(tài)切削力會導致共振振動 

在靜態(tài)切削力為500牛的情況下，該刀具會產生25微米的撓度。如果切削力以142赫茲的正弦模式變化，就會出現可變撓度，其振幅會比靜態(tài)撓度大20倍。這將導致共振振動。

當切削力作用于切削刃的頻率等于切削刀具的固有頻率（共振頻率）時，就會發(fā)生共振振動。切削條件的變化（銑削時）、強烈且間歇性的斷續(xù)切削，甚至材料結構的不規(guī)則性都可能導致這種情況（見圖7）。

機械師也將共振振動稱為顫振。就其本身而言，顫振并非真正的大問題，但在某些情況下，顫振會因切削刃出現不可控的磨損或工件加工表面光潔度不佳而危及加工過程的質量。在這些情況下，就需要抑制顫振，而通過改變切削條件最容易實現這一點，其次還可以通過改變刀具的選用來實現。

圖 7 材料結構的不規(guī)則性可能導致振動 

在上述示例中，第 1 階段代表一種情況，即材料的不規(guī)則性在切削力中產生了動態(tài)分量。在第 2 階段，工件材料的不規(guī)則性導致切屑厚度變化。這導致了持續(xù)的動態(tài)切削力，當其頻率接近刀具的特征頻率時，就會產生共振振動。

對加工過程中的振動及其風險進行的任何分析都必須考慮機床的穩(wěn)定性。機床無法提供無限的穩(wěn)定性，而且一般來說，隨著機床主軸轉速的增加，刀具的穩(wěn)定性會下降（見圖8）。

圖8 某機床的穩(wěn)定性葉瓣圖

一般來說，機床運行時的每分鐘轉數（rpm）越高，產生振動的風險就越大。然而，在某些特定轉速下，穩(wěn)定性會有所增強。針對某一特定切削刀具所選用的每分鐘轉數可能處于穩(wěn)定性較差的區(qū)間，這就會引發(fā)振動，從而需要降低機床轉速來消除振動。相反，所選的每分鐘轉數也可能處于穩(wěn)定性較高的區(qū)域，這樣就能使切削條件保持在較高水平。為避免振動，尤其是在較高轉速加工期間，要謹慎選擇轉速。

在普通力學中，如下圖（圖9）所示的模型可用于確定單邊夾緊圓柱梁（例如，內圓車刀刀架、銑刀、鉆頭等）的彎曲度。簡單通俗地講，彎曲度或撓度越大，有害振動（包括共振）的風險就越高，而減少刀具的彎曲度或撓度則會降低振動風險。

圖9 單邊夾緊圓柱梁的彎曲度、受力與主要尺寸之間的關系。

從這個角度來看，要降低振動風險，就必須盡量減少刀具的變形或彎曲。

這可以通過幾種方式來實現。

當你利用懸伸比來幫助預測振動風險時，要謹慎考慮。對圖9中的公式進一步分析可得出圖10所示的公式，當以這種形式呈現并應用于兩個示例時，該公式很能說明問題。首先，一把懸伸長度為200毫米、直徑為50毫米的刀具，其懸伸比為4。其次，另一把長度為100毫米、直徑為25毫米的刀具，其懸伸比同樣為4。這兩把刀具會顯示出相同的振動風險嗎？將這兩把刀具的相應數值代入圖10的公式中，你會發(fā)現第二把刀具的彎曲度是第一把的兩倍，因此其振動風險也是第一把的兩倍。

當振動風險較高時，刀具的直徑是最為重要的因素。

圖10：彎曲度隨懸伸長度和直徑變化的函數關系。

一些實用的步驟可以將振動風險降至最低或避免振動風險。運用所有這些步驟來改變切削力作用于切削刀具的大小或方向。

采用接近 90° 的刃口角。

使用更小的刀尖半徑和 / 或更鋒利的切削刃。

減小切削深度并增加進給量。

改變切削速度。

使用更好的刀具裝夾系統，例如山高Capto和山高減震（Seco Steadyline）刀具

在銑削應用中，對“采用接近90°的刃口角”這第一條建議要采用不同的運用方式。如同車削時那樣，所產生的切削力將大致與切削刃垂直（見圖12）。當你考量裝夾在銑床主軸中的銑刀并評估其彎曲風險（見圖13）時，要根據切削力乘以切削力方向與主軸內一個“參考”點之間的距離來判定振動風險。每臺機床的主軸都包含一個固定參考點，主軸能夠圍繞該點擺動。

圖11：更好地裝夾切削刀具可降低振動風險。

當你將刃口角為 90°的方肩銑刀與刃口角僅有幾度的快進給銑刀作比較時就會發(fā)現，（圖13）前者切削力的方向與參考點之間的距離更小，因此，在切削力相同的情況下，其振動風險也更低。

圖12：銑刀切削力的大小和方向（大致垂直于切削刃）。

圖13 ：力F×距離L）決定了銑削中的振動風險。

如何降低銑削過程中的振動？

為解決銑削中的振動問題，需選擇合適的刀具及切削條件，以改變切削力的大小和方向。

從正常進給和切割速度開始。如果出現振動，請按以下步驟逐步調整：

如何降低車削過程中的振動？

 以下步驟會對車削結果產生影響。將它們用作排查振動問題的檢查清單。

選擇能實現最大穩(wěn)定性和剛性的基本刀具系統及尺寸。采用盡可能短的懸伸長度來裝夾刀具。這樣可使刀具產生更高的固有頻率，并減小撓度，進而更易于避免振動，就算出現振動也更容易抑制它。

仔細挑選刀片的類型、尺寸以及刀尖半徑。選用盡可能小的刀尖半徑，若有可能，使其小于切削深度，以此來降低被動切削力。限制切削深度，將刀具撓度降至最低，確保工件的加工公差準確無誤。當有可能出現振動時，選擇頂角較?。?0°或55°）的刀片，以便在實現輕快切削的同時保證良好的刃口強度。

選擇刃口鋒利且切削刃幾何形狀良好的刀片，以實現輕松切削且使刀具撓度較小。需注意，更鋒利的切削刃強度較弱，需要進行恰當的斷屑處理。

選擇硬質合金牌號韌性更好且?guī)缀涡螤罡h利的刀片，不過這樣會導致切削刃強度降低，有可能過早崩刃或破損。為提高切削刃的可靠性和刀具壽命，要用韌性更好的切削材料來彌補幾何形狀強度不足的問題。

精心選擇切削條件，盡量減小切削深度。在存在嚴重振動風險的情況下，使用至少大于刀尖半徑25%的進給量。評估切削速度，避免在機床穩(wěn)定性較差的每分鐘轉數區(qū)間內進行加工。

如何降低鏜削過程中的振動？

以下步驟會對鏜削結果產生影響?？蓪⑺鼈冇米髋挪檎駝訂栴}的檢查清單。