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金（jīn）屬切削加（jiā）工振動機理及工程消除方法（fǎ）

2019-2-19 來源：中航工業洛陽電光（guāng）設備研究所作者：楊新一

【摘（zhāi）要】: 振動（dòng）問題是（shì）金屬切削（xuē）過程中普遍存在（zài）的現象, 通過研究切削振動的產生機（jī）理（lǐ）, 並采用仿真（zhēn）模擬計算與加工試驗相結合的方法, 介紹了金屬切削過程中振動的分類與（yǔ）產生機理。結合具（jù）體的工程應用, 利用剛性輔助增強法和加工參數（shù）優化法這（zhè）2 種常用的振動消（xiāo）除工（gōng）程方法, 提出了判別金屬切削過程中振動產生的原因, 以及抑製切削振動的工（gōng）藝（yì）設計（jì）思路, 對消除切削過程中的振動以及提高（gāo）零（líng）件加工質量有（yǒu）著積極（jí）的意義。

【關鍵詞】: 振動機理; 顫刀紋（wén）; 工（gōng）藝技術。

在（zài）金屬切削過程中, 工藝係統時常會發生振（zhèn）動。特別是隨著產品輕量化、功能多樣化的需求,導致薄壁件（jiàn）、長懸伸零件的設計越來越多, 結構件形狀越來越複雜, 在機械加工過程中, 時常會因（yīn）為零（líng）件剛度差、刀具剛度差（chà）和切削參（cān）數設置不當等因（yīn）素導致切削過程中產生振動。

切削（xuē）過程中的振動是（shì）一種極具破（pò）壞性的有害現象（xiàng）, 會幹擾和（hé）破壞成形運動, 引起刀刃崩裂,縮短切削係統壽命, 降低生產效率, 產生噪聲汙染; 因此, 研究金屬切削過程（chéng）中的振動產（chǎn）生的機理, 探討抑製振動產生的工藝措施, 一直是機械加工領域的重要研究課題。

1.切削加工振動的分類

切削過程中的振動類型, 包括自由振動、強迫振動以（yǐ）及自激振動等3 種形式。其中, 自（zì）激振動可（kě）分為再生型顫振、耦合型顫振和（hé）摩擦型顫振（zhèn）。

2．振（zhèn）動的基本原理

一個單自由度的結構可以（yǐ）簡（jiǎn）化（huà）為由質量m 、阻（zǔ）尼C 和（hé）剛（gāng）度k 組成的單自由度係統（tǒng）( 見圖1)。

如果係統受到激勵或是靜止位置偏離原來的平（píng）衡位置時, 並使其（qí）進行（háng）自由（yóu）的（de）恢複運動, 係統將做自由振動（dòng）。由於（yú）阻尼C 的作用, 其振動幅值隨時間以係統阻尼常數的函數衰減。振動頻率（lǜ）主要取決於係統的剛（gāng）度（dù）k 和質量m 。

2.1 自由振（zhèn）動

假設（shè）質量為（wéi）自由質量, 不受外力的作用, 靜態位移為x 0 , 將係（xì）統釋（shì）放（fàng）, 由於（yú）工藝係統（tǒng）的阻尼作用, 這類振動會（huì）在外界幹擾（rǎo）去除後迅速自行衰減, 對加工過程影響較小。

2.2 強（qiáng）迫振動（dòng）

當係統受（shòu）到外力時, 係統（tǒng）將進行強迫振動。若施（shī）加的（de）外力為恒力時, 係統將經過一（yī）段時間的過渡振動, 然後在靜態偏離處穩定, 當外力是諧波力時, 則（zé）會出現持續振（zhèn）動（dòng）。

金屬切削過程中引起強迫振（zhèn）動的因素很多,例如機床上齒輪傳動不均勻和（hé）軸承製造精度不

夠, 刀具上各切削刃（rèn）間存在高度誤差, 工件上存在（zài）斷續切削或者餘量不（bú）均、硬度不一致等。

2.3　自激振動(顫振)

外界（jiè）不給予機床係（xì）統任何幹擾, 該平穩切削加工的過程將一直保持（chí）下去; 然而在真正的生產實踐（jiàn）中, 往往會受到很多外界（jiè）幹擾的影響, 也就是說, 上述的平穩切削加工過程一（yī）定會（huì）受到外界的幹擾而發生振動。

2.3.1　再生（shēng）型顫振

簡便（biàn）起見, 考（kǎo）慮正交切削的情況, 由外界激勵引起的機床（chuáng）振（zhèn）動使得刀具與工件之間在工件（jiàn）進給方向上產生相對振動, 則在第1 層切削時, 在原本表麵光滑的加工工件表（biǎo）麵留下波紋, 該波紋（wén）軌跡為x (t —T ), 當第2 層（céng）開始時, 加工的內外表麵都有波紋（wén）, 該波紋軌（guǐ）跡為x (t ), 主軸（zhóu）旋轉1周所（suǒ）需的時間為T , 本次理論切削厚度為h 0 。其動態切削厚度變為:

再生型顫振（zhèn）產生示意圖如圖2 所示。從圖2中可以看出, 當連續兩（liǎng）振紋之間的相位差為0 或2π 時, 無論機床如何振動（dòng）, 動態切（qiē）削厚度都不會（huì）發生變化, 此時, 切削（xuē）加（jiā）工過程是穩定的; 當連續兩（liǎng）振紋（wén）之間的相（xiàng）位差為π 時, 動態切削（xuē）厚度達（dá）到最（zuì）大值, 切削過（guò）程中的顛振現象最為嚴重。

2.3.2　耦合（hé）型顫振（zhèn）

耦合型顫振是由（yóu）於振動係統在2 個方（fāng）向上的（de）剛（gāng）度相接近時導致2 個固（gù）有振（zhèn）型相耦合（hé）, 因而引起顫振。在切削過（guò）程中由於切削力的（de）持續周期性變化, 導（dǎo）致了（le）工藝（yì）係統的耦合振動。

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（jiān）的相互摩擦而（ér）引起的顫振, 產生的（de）機理主要是在切削過程中切削力隨切削速度的增大具有下降的特性, 因而產生1 個負摩擦力。而在切削過程（chéng）中, 切削速度（dù）不斷地發生著細（xì）微的變化, 導致了切（qiē）削力不斷地變化, 從而使加工係統發生顫振。總（zǒng）之, 自激（jī）振（zhèn）動是由（yóu）於刀具與工件之間切削力的不斷變化而導致切削厚（hòu）度隨著發生變化（huà）, 所以等到下一次切（qiē）削（xuē）時又會產生新的振紋, 如此循環（huán）反複, 在刀具與工件之間形成了一個閉環控製係統, 這個閉環控製係統是以切削力激發（fā）、動態切削厚度作為反饋的, 且切削厚度的動態（tài）變化與（yǔ）主軸旋轉周期T 時刻前的切削振動有關的延時反饋係統。

3．切削加工過程中振動消除的工（gōng）程應用

在工程應用中, 切削過程的參與者包括機床、刀具、夾具和零件, 金屬切削過程中（zhōng）產（chǎn）生的（de）振動等不穩定切削現象和其切（qiē）削（xuē）參與者密切相關（guān）。通（tōng）過更改切削過程中參與者的結構及切削參數可以達到消除振動的（de）目（mù）的。常（cháng）用的振動消除工程（chéng）方法如下所述（shù）。

3.1　剛性輔助增強法

隨著（zhe）我國工業技術的不斷發展, 輕量化（huà）、複雜化的結構設計越來越多, 結構件的剛度問題逐（zhú）漸成為導致加工質量差的關鍵因素, 切削振動問（wèn）題頻發。

由於產品性能（néng）限製, 加工零件（jiàn）的結構剛度差,導致切削過程（chéng）不穩定, 產生振動現象。工（gōng）程中（zhōng）常用的剛性輔助增強方法有剛性支撐法、填充法、粘結法（fǎ）和工藝柄輔助法等。下述以（yǐ）某型零件為例,介紹工程中消除振（zhèn）動所應用的剛性輔（fǔ）助增強示（shì）例。

方位部件（jiàn）是某型（xíng）產品中的關鍵機械部件, 其涉及到多組精密空間孔係, 裝調過程困難, 很難通過裝調達到設計（jì）目標, 因此采用組合加工的方式來保證（zhèng）各（gè）空間孔係的設計精度。該零件的空間孔係幾何公差（chà）要求達到IT5~IT6, 且結構特征中, 包含長（zhǎng）度>190mm 的懸（xuán）臂結構, 加工難度大, 設（shè）計精度難（nán）以（yǐ）保證。組合加工件中各零件的裝配關係以及組合加工件中（zhōng）的（de）懸臂特（tè）征（zhēng）如圖3 和圖4 所示。

在精鏜Φ24 內孔時, 內孔表（biǎo）麵經（jīng）常會出現顫刀紋。該孔係是保（bǎo）證產品精度的關鍵孔係, 其（qí）

加工質量決定了（le）產品的使用性能, 因此, 查找該孔係的顫刀原因, 有針對性地製定（dìng）解決（jué）方案是十

分重要的。

按照加工時的裝夾關係對零部件進行仿真計算（suàn）。結果顯（xiǎn）示零件的（de）前4 階振型主（zhǔ）要是Φ24 內

孔位置產生較大變形（xíng）, 因此Φ24 內孔位置為加工過程剛度薄弱點。

利用剛性- 非剛性輔助支撐方（fāng）法（fǎ）, 在零件（jiàn）Φ24 內孔位（wèi）置設置1 個支撐裝置( 見圖5), 用於

輔助增強零件的加工剛度, 零（líng）件的裝配方（fāng）式如圖6 所示。

剛性支（zhī）撐工裝（zhuāng）不與加工零件直接接觸。剛性支撐上設有1 個容腔, 用以盛（shèng）裝非（fēi）剛性（xìng）材料, 其特點是流態時可以填充任意型腔, 固（gù）態時（shí）具有很大的剛（gāng）性。輔助增強零件剛度後（hòu）, 零件的首階振動頻率提（tí）升到934.54 Hz, 加工係統剛度得到了很大（dà）的提升, 進而加工顫刀紋得到了消除。

3.2　加工參數優化法

加工過程中的進給速度、切削厚度、主軸轉速與切削力呈複雜的指（zhǐ）數關係, 切削參數的選擇直接（jiē）影響到加工零件時的切削力大小。對於低剛度零件, 切削參數選擇不（bú）當會導致零件產生過大變形, 從而會導致加工讓刀（dāo）或者切削振動現象（xiàng）。主軸（zhóu）轉速的選擇同時還關係著零件加工過程中的共振, 對於非連續切削, 零件（jiàn）承受著周期性變化的切（qiē）削力, 若切削力變化頻率與零件的固有頻率相近, 將會（huì）導致零件產生共（gòng）振, 影響零件的加工（gōng）質量。下述以某型零件為（wéi）例, 介紹主軸轉速的優選方（fāng）法。

在（zài）零件加工過程中, 零件受力會呈現（xiàn）出周期性變化的規律, 變化周期與主軸轉速密切相關,周（zhōu）期性變化的（de）切削力會對零件產生周期性（xìng）的衝擊。若衝擊周（zhōu）期與零件的固有頻率相近時, 會（huì）使零件產生共振, 導致零件表麵產生顫刀紋; 因此,合理選擇主（zhǔ）軸轉（zhuǎn）速, 對於（yú）避（bì）免（miǎn）加工共振、消（xiāo）除表麵顫刀紋（wén）具有積極的意義。

旋（xuán）變套筒是某型產（chǎn）品中的關鍵（jiàn）零件, 其結構示意圖如圖7 所示。由於零件性能所限, 零件圓周麵開了3 處缺口, 導致零件的（de）剛度降低（dī）, 同時破壞了車削（xuē）的連續性（xìng）。該零件在加工參數選擇不當時, 會在表麵出現（xiàn）顫刀紋, 影響產品質量。

旋變（biàn）套筒（tǒng）的前（qián）2 階陣型圖如圖（tú）8 所示。結果顯示（shì）, 該結構主要在3 個支（zhī）撐杆右端發生變形。仿真（zhēn）計算結果可得（dé）, 零件的固有頻率為198.95Hz。主軸轉速S 與切削力激（jī）振頻率p 之間（jiān）的關係如下:p =zS/60。式中,p 是激振力頻（pín）率,單位為Hz;z 是車削斷續點個數;S 是主軸轉速,單位為r/min。

為避免（miǎn）旋轉套筒在車削過程中產生共振, 應使切削衝擊頻率遠<200 Hz, 即控（kòng）製（zhì）機床主軸轉速遠<4 000 r/min, 因此在加工過程中（zhōng）應嚴格控製主軸轉速, 避免零件因共振產生（shēng）顫刀紋, 切削過程中主軸轉速應控製在1 000 r/min 以內。

4.基於振動抑製的工藝設計思路

振動在金屬（shǔ）切削過程中是普遍存在的, 有時振動不明顯（xiǎn）, 不會影響零件表麵質量; 但有（yǒu）的振動比較劇烈, 導致加工零件表麵出現（xiàn）嚴（yán）重的缺陷,必須予以減弱或消除。

加工過程中的各（gè）種振（zhèn）動都有其產生（shēng）的機理（lǐ）,在實際（jì）工程應用中（zhōng）, 導致振動的原因也不是單一的, 需要工程技術人員根據工程實際情況, 給出合理有效的（de）解決措施。下述給出幾點減少或消除切削振動的思路。

1 ) 應排（pái）除外部振源（yuán）的影響。外部振（zhèn）源有規律或無規律（lǜ）的持續振動會通過機床傳遞到加工零件表麵, 當振動能（néng）量達（dá）到一定範圍時, 零件表（biǎo）麵會出現顫刀紋, 因此需要（yào）首先將此因（yīn）素排除在外。可以為機床設備安裝防震墊等措施將機床與外（wài）界進行隔離。

2) 應考慮切削過程中的斷續切削（xuē）、切削（xuē）量不均勻問題, 該（gāi）原因是導致切削過程中強迫振動（dòng）的常（cháng）見因素。斷續切削問題可以通過調（diào）整工序設置,最後加工斷續槽部分, 從而避免斷續切削。切削量不均勻的問題常見於毛坯粗加工或零件拐角（jiǎo）處,可以通過調整進（jìn）刀路線、切削參數等進行消除。

3) 應考慮工藝係統剛度, 包括加（jiā）工零件、刀具、工裝和機床設備等（děng）各個環節的剛度。該類問題主（zhǔ）要的表（biǎo）現形式為工藝係統（tǒng）的剛度不足以支撐該切削過程的穩定進行, 解決（jué）措施主要考慮增（zēng）強工藝係統剛度（dù）或（huò）者降低切（qiē）削力。零件剛度輔助增強方法主要有剛性支撐法、粘結法、填充法和工藝柄（bǐng）輔助增強法（fǎ）等形式。降（jiàng）低切削力主（zhǔ）要通過調（diào）整切削參數和刀具來實現。

5.結語

隨著（zhe）現代工業的發展, 結（jié）構件朝著薄壁（bì）化（huà）、複雜化（huà）和整體化的方向演變, 其性能指標要（yào）求越來（lái）越（yuè）高, 切削振動問題應（yīng）得到有效的控製（zhì）和消除。了解切削振動產生的機理及（jí）消除措施, 可以預先優（yōu）化工藝設計思路, 最大程度地（dì）避免（miǎn）切削過（guò）程中的振動現象; 也可以有（yǒu）針對性地（dì）分析切削過程中的振動原因, 快速定位解決切削振動的有效方案。工程問題（tí）是複雜多變的, 同時也是有（yǒu）章（zhāng）可循的,掌握（wò）工程問題基本原理, 積累實際工程經驗, 才能高效優（yōu）質地完成各項工（gōng）程任務。

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