高速切削加工中的振动问题综述

高速切削加工中的振动问题综述

焦守荣

（山东建筑大学 机电工程学院，山东 济南 250101）

摘要：高速切削是一种仍在不断发展中的、综合性的先进加工技术。高速切削过程中产生的振动将会极大的影响工件的加工质量、刀具的使用寿命等。因此世界各国学者在振动的产生机理、监测及控制等方面做了大量的研究工作。本文主要介绍国内外学者在高速切削振动方面的研究成果，着重总结和分析以下几方面的研究工作：振动的产生机理，振动的危害以及振动的控制方法。

关键词：高速切削  切削振动  信号采集  振动控制 

引言：高速加工技术具备高效高精度特性和高面积去除率，可省去电加工或人工修磨工序，大幅缩短加工工时或加工工序总周期。随着切削加工精度的不断提高，高速切削逐渐在切削加工中占主导地位，被当今的制造企业广泛采用，用于制造薄壁、弹性和刚度大的难加工材料[1]。但是在零件加工过程中不可避免的会发生振动，这些振动如果不加以控制不仅会降低工件表面质量和切削生产效率。在某些特定条件下产生的切削振动甚至可能造成加工无法进行乃至引起重大事故等[2]。因此深入分析高速切削加工振动形成的主要原因，探讨高速加工振动控制方法，对促进高速切削加工技术迅速发展及应用，具有重要的理论意义和较大的实用价值。

1 高速切削概述

20世纪20年代末，德国的切削物理学家萨洛蒙（Carl Salomon）博士进行了超高速模拟实验，并于1931年4月首次提出高速加工（High Speed Machining）概念并获得专利，简称HSM。与常规切削加工相比，高速切削技术具有极大的优越性，具体说来有以下特点:加工时间短,效率高;切削力小,加工系统变形小;刀具和工件受热影响小;工件表面质量好;可加工高硬度材料;可进行高速干切削,不用冷却液,减少了对环境的污染,能实现绿色加工[3]。高速切削已成为当今制造业中一项快速发展的新技术，在工业发达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。

2高速切削中的振动

在高速铣削过程中，振动现象时有发生。一般情况，产生振动的原因是多方面的[4]：

（1）高速机床结构。电主轴在高速机床当中扮演着重要角色，可以对传动链进行简化，而且还将传动误差予以了有效消除，这种直接传动方式的应用，导致电主轴自身的振动会直接影响到刀具，这是导致工件与刀具出现振动的主要原因。

（2）高速刀柄及其工具系统。导致工具系统出现振动的原因非常多，刀体结构存在不平衡、刀具存在着不对称等。

2.1振动的分类

机床的振动大致分为自由振动、自激振动和强迫振动[5]。

自由振动由于产生机理简单，因此对机床的影响较小。一般来说，现代机床装置自身已具备一定阻尼，足以将自由振动的能量逐渐耗散，对机床装置的使用基本没有威胁。因此铣削过程中产生的振动主要来自于强迫振动和自激振动。强迫振动是系统受外力作用下产生的振动，铣削加工时，铣床主轴连接刀具对工件不断进行周期性铣削的过程中，产生的周期性铣削力是造成强迫振动的主要原因。这种振动在铣削过程中一般无法避免，需要在装置制造出厂前采取一定的减振措施[6]。自激振动也称作切削颤振，是切削过程中系统本身产生的激励引发的振动[7]。颤振会直接降低加工工件的精度，降低加工效率，同时也影响机床寿命，所以在铣削加工过程中采取措施抑制颤振是十分重要的环节。造成铣削系统自激振动的主要因素是再生型颤振。再生型颤振是指在机床进行切削的过程中，由于工艺限制刀具一般会重复加工之前加工过的工件表面，那么刀具当前切削的振动位移就会和上次切削的振纹存在相位差，导致此时的切削厚度发生变化从而引起颤振[8]。

3振动的危害

切削振动会降低机床各个部件之间的连接刚性、降低数控机床的加工效率、降低被加工产品的表面质量、降低刀具使用寿命、降低机床性能和服役时间，这将直接降低企业的经济效益[9]。此外，伴随着振动产生的噪声将直接污染周围环境，使工人的工作加工环境急剧变差，影响劫削加工工作人员的生理和心理健康，甚至出现重大数控机床加工事故。因此，对数控铣床振动研究具有重要意义。

4 振动的控制

切削加工振动的控制方法一般可分为主动、被动两部分。

4.1 被动控制

早期大多数研究人员主要通过传统被动方法控制切削振动：比如根据工件的铣削进给量以及铣刀转速确定不稳定切削区，从而在线调整铣床主轴转速、铣削深度、铣刀进给速度等参数来避开不稳定切削区，达到降低铣削振动的目的[10]。通常情况下，薄壁工件由于刚性较低所以会在铣削加工时设计符合形状的定位夹具，这样足以增大薄壁工件的刚性。但这样的定位夹具面对不同工件时就需要重新设计，致使生产成本升高，生产效率降低[11]。

4.2 主动控制

与被动控制方法不同的是，切削加工振动的主动控制方法是需要附加系统的介入来实现，即对切削系统输入外部能量以提供控制力，从而有效对控制切削加工的振动。这种“以动制动”的控制方法，很好地应对了被控振动系统参数的时变性造成的复杂振动情况，近年来己经在航空航天、机械加工、船舶等方面有了较为广泛的应用

[12-13]。

4.3 其他控制方式

镜像铣削是一种同时使用两个主轴头的铣削加工系统，在2个同步运动的主轴头中，一个主轴头为切削头，另一个主轴头为支撑头，2个主轴头能够保证镜像随动对蒙皮进行法向支撑和法向铣削。

相较于无支撑条件下的薄壁构件铣削时域受迫振动幅值，施加多点支撑后薄壁构件的受迫振动幅值下降了约98%，由此可以证明引入多点气动支撑能够有效地抑制薄壁构件的铣削加工振动[14]。

在切削过程中改变切削转速同样可以减小振动。其原理是，在切削过程中如果改变了当前的切削转速，那刀具在此位置的前后两次切削速度就会发生变化，这就会影响到刀具当前切削的振动位移和上次切削的振纹存在的相位差发生变化，从而破坏再生型颤振发生的条件，抑制振动控制。不断改变机床刀具切削转速会对机床电机造成较大压力，这种电流波动最终会损坏电机[15]。

5 结论

本文围绕高速切削中的振动问题进行了论述，系统阐述了振动的产生机理，振动的危害，振动的检测技术以及振动的控制方法。

（1）一般情况下，产生振动的原因主要包含以下2个方面：高速机床结构；高速刀柄及其工具系统。

（4）切削加工振动的控制方法一般可分为主动、被动两部分。被动控制方法一般不需要额外增加设备，但是会影响生产效率。主动控制方法则需要附加系统的介入来实现，因此会增加生产成本。

参考文献

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[2]汤爱君,马海龙.切削颤振的线性和非线性理论研究[J].工具技术,2007(06):48-51.DOI:10.16567/j.cnki.1000-7008.2007.06.024.

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[11]杨建江. 基于主动阻尼装置的铣削振动主动控制及齿轮减振实验研究[D]. 北京化工大学.

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[15]杨建江. 基于主动阻尼装置的铣削振动主动控制及齿轮减振实验研究[D].北京化工大学,2021.DOI:10.26939/d.cnki.gbhgu.2021.001534.