什么是加工中的振动以及如何减少振动？
当在平衡点附近发生振荡时，它们会产生称为振动的机械现象。在机械加工行业中，振动 - 通常来自切削力或机床本身 - 会导致不必要的结果。为了获得显著的竞争优势，您必须了解振动的原因并知道如何克服它。振动是一种机械现象，其中振荡发生在平衡点附近。这些振荡可能是周期性的，如钟摆的摆动，也可能是随机的，如轮胎在碎石路上的运动。
有时振动是可取的。例如，手机功能正常，因为声音是空气的振动。然而，更多时候，振动会浪费能量，同时会产生不必要的变形和噪音。例如，发动机、电动机和其他正在运行的机械设备的大多数振动运动都是不需要的。不平衡的旋转部件、不均匀的摩擦、轮齿啮合和其他问题都会导致振动，而精心设计通常会最大限度地减少振动。
图 1 切削刀具中的振动
机床、工件和刀具并不完全刚性，切削力会使它们振动。机床、工件和切削工具的动态特性会限制切削性能。刚度过小以及减振不足会导致自激振动或 “颤振” 问题。有了对这种现象的基本了解，颤动就会变得可预测，从而提高切削性能。
加工过程中的振动会带来许多负面后果，其中最重要的包括：
- 切削刃的额外磨损和无法控制、不可预测的磨损模式 （例如，切削刃微崩和开裂） 会影响加工可靠性。
- 表面光洁度下降，工件报废或返工增加。因此，振动会危及加工系统，并可能导致交货时间和交货安全性问题。
- 振动的前两个影响也对加工经济性产生负面影响。振动需要花钱。
- 因为振动需要能量，所以也浪费能源，对加工作人员的专业性提出了挑战。
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图 2 自由振动
当初始输入在机械系统中引发振动，然后机械系统自由振动时，就会发生自由振动。这类似于您向后拉孩子的秋千然后松开它时发生的情况。然后，机械系统在其一个或多个“固有频率”处振动，然后阻尼降至零。
当时变干扰（负载、位移或速度）施加到机械系统时，就会发生强迫振动。干扰可以是周期性的、稳态输入或随机输入。当不平衡的洗衣机在地震中晃动或建筑物振动时，这些都是强制振动的例子。
图 3 强迫振动（f = 频率，A = 振幅）
系统的频率响应是强制振动最重要的特征之一。在一种称为共振的现象中，当强迫频率接近轻阻尼系统的固有频率时，振动的幅度会变得非常高。系统的固有频率称为谐振频率。当你推孩子荡秋千时，你必须在正确的时刻推动，使秋千越来越高，大运动不需要施加很大的力。推力只需要不断向系统增加能量。在转子轴承系统中，任何激发谐振频率的转速都称为临界转速。
机械系统中的共振会导致系统故障。因此，振动分析必须预测何时可能发生这种类型的共振并确定预防措施。额外的阻尼可以显著降低振动的大小，改变系统的刚度或质量以使固有频率远离强迫频率也是如此。如果系统无法改变，则可能强制频率可以移动（例如，通过改变产生力的机床的速度）。
图 4 共振振动。
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切削金属的相同力也作用在切削刀具上。 这些力会使切削刀具变形和弯曲，并可能导致振动。
图 5 切削力和刀具强度不足会导致金属切削的振动。
切削力的动态特性会导致共振振动。细长的切削刀具或工件、过高的切削力、缺乏阻尼能力的刀具或工件材料、不正确的切削方法或不正确的刀具几何角度都会增加这种情况的风险。
图 6 显示了一个钢制刀架（直径 100 mm，悬伸长度为 500 mm）。
图 6 在某些情况下，动态切削力会导致共振振动
当静态切削力为 500 N 时，该刀具将偏转 25 μm。如果切削力在 142 Hz 处以正弦图案变化，则会发生可变挠度，其振幅比静态挠度大 20 倍。 这会导致共振振动。
当切削力影响切削刃的频率等于切削刀具的特征频率 （谐振频率） 时，就会发生共振振动。切削条件的变化 （铣削）、强烈的间歇性碎屑甚至材料结构的不规则性都可能导致这种情况 （见图 7）。
机械师也将共振振动称为颤振。就其本身而言，颤振并不是一个真正的问题，但在某些情况下，颤振会通过无法控制的切削刃磨损或加工不完美的工件表面光洁度来危及工艺质量。这些情况需要抑制颤振，这最容易通过修改切削条件来实现，或者在第二阶段，通过修改刀具选择来实现。
图 7 材料结构的不规则性可能会引起振动
在上面的示例中，阶段 1 表示材料不规则性在切削力中产生动态分量的情况。在阶段 2 中，工件材料的这种不规则性会导致切屑厚度的变化。这导致连续的动态切削力，当它们的频率接近刀具的特征频率时，可能会发生共振振动。
任何对加工过程中的振动及其风险的分析都必须考虑 机床的稳定性。机床无法提供无限的稳定性，一般来说，随着机床主轴转速的增加，刀具稳定性会下降（见图 8）。
图 8 机床的切削稳定度 （Tlusty 和 Tobias）。
一般来说，机床运行的 rpm（每分钟转数）越高，振动的风险就越大。 然而，在某些速度下，稳定性会增加。为特定切削刀具选择的转速可能处于低稳定性范围内，从而触发振动，并且需要减慢机床速度以消除振动。相反，所选转速可能位于高稳定性区域内，从而使切削条件保持在较高水平。为避免振动，尤其是在高转速加工期间，请仔细选择速度。
在一般力学中，下图所示的模型（图 9）决定了单侧夹紧圆柱梁（例如，内孔车刀杆、铣刀、钻头等）的弯曲。简单来说，弯曲或偏转越大，有害振动（包括共振振动）的风险就越高，而减少刀具弯曲或偏转会降低振动风险。
图 9 弯曲、力和单侧夹紧圆柱梁的主尺寸之间的关系。
从这个角度来看，降低振动风险需要最大限度地减少刀具偏转或弯曲。
这可以通过多种方式实现。
- 减小切削力或改变切削力作用在系统上的方向。
- 使刀具更坚固，具有更高的抗弯曲性。图 10 中的公式显示，悬伸长度加倍会增加挠度 8 倍，而直径加倍会减少挠度 16 倍。因此，较短的刀具或较大的刀具振动风险较小。因此，悬伸比（L/D = 架空长度或悬伸除以直径）通常为快速分析振动风险提供测量方法。基于悬垂比的一些指导：
- 如果悬伸比小于 3，通常不会发生振动。
- 如果悬伸比小于 6，则存在振动风险。
- 如果悬伸比小于 9，则可能会发生振动。
- 如果悬伸比大于 9，则肯定会产生振动，而传统刀具通常无法解决问题。
- 使用更硬的刀具材料。弹性模量 （E） 是一个主要元素。例如，用硬质合金代替钢制刀柄，挠度下降高达 50%。这种方法可以与锥形刀具结合使用。
当您使用悬伸比来帮助预测振动风险时，请仔细考虑。对图 9 中的公式进行进一步分析，得出图 10 中所示的公式，当以这种形式编写并应用于两个示例时，该公式非常具有启发性。首先，悬伸长度为 200 且直径为 50 mm 的刀具的悬伸比为 4。其次，另一个长度为 100 mm、直径为 25 mm 的刀具的悬伸比也将为 4。这两种刀具是否具有相同的振动风险？将这些值应用于图 10 中公式中的两个刀具，您会发现第二个刀具显示的弯曲程度是两倍，因此振动风险也增加了一倍。
当振动风险较高时，刀具的直径最为重要。
图 10 弯曲与悬伸长度和直径的关系。
一些实际步骤可以最大限度地减少或避免振动风险。使用所有这些步骤来更改切削力作用在切削刀具上的大小或方向。
- 使用接近 90° 的主偏角。
- 使用更小的刀尖半径和/或更锋利的切削刃。
- 减小切削深度并提高进给。
- 更改切削速度。
- 使用更好的刀具夹紧系统（例如 Seco-Capto 和 Seco Steadyline 刀具）。
在铣削应用中以不同的方式应用第一个建议 - 使用接近 90° 的主偏角。与车削一样，产生的切削力将大致垂直于切削刃 （图 12）。当您考虑夹紧在铣床主轴中的铣刀并评估弯曲风险时（图 13），根据切削力乘以切削力方向与主轴中“参考”点之间的距离来确定振动风险。每个机床主轴都包括一个固定的参考点，主轴可以围绕该参考点摆动。
图 11 更好的切削刀具夹紧降低了振动风险。
当您将方肩铣刀 （主偏角为 90°） 与高进给铣刀 （主偏角仅为几度） 进行比较时，切削力方向与参考点之间的距离较小，因此振动风险 （在相同的切削力下） 较小。
图 12 铣刀切削力的大小和方向 （近似垂直于切削刃）。
图 13 （F x l） 确定铣削中的振动风险。
要解决铣削中的振动问题，请选择合适的刀具和切削条件来改变切削力的大小和方向。
- 选择具有粗齿距的铣刀，并以尽可能小的悬伸夹紧它们。
- 选择具有正前角几何形状的切削刃。
- 选择直径较小的铣刀，尤其是使用 Steadyline 刀具。
- 选择一个小的 切削刃刀尖圆角半径。
- 选择涂层较薄的硬质合金材质等级。
- 每齿使用大进给。降低转速并保持工作台进给量，以获得更大的每齿进给量。当发生振动时，不要降低每齿的进给量。
- 减小轴向和径向切深。
- 使用稳定的铣刀夹紧系统。对于模块化刀具夹持系统，请使用尽可能大的连接尺寸。使用锥形刀柄。
- 将铣刀置于工件的中心。应用逆铣技术。
从正常进给和切削速度开始。如果出现振动，请逐渐进行如下更改：
- 增加进给，
- 提高转速。
- 降低转速。
- 减少进给，直到振动消失或至少最小化。
以下步骤会影响车削结果。将它们用作振动故障排除的检查表。
- 选择基本刀具系统和尺寸，以获得最大的稳定性和刚度。以尽可能短的悬伸夹紧刀具。这会产生更高的刀具固有频率并减少偏转，从而更容易避免振动或在发生振动时受潮。
- 仔细选择刀片的类型和尺寸以及刀尖半径。选择尽可能小的刀尖半径，并尽可能使其小于切削深度，以降低被动切削力。限制切削深度，以最大限度地减少刀具偏斜并保证工件的正确加工公差。当可能产生振动时，选择具有小顶角 （60° 或 55°） 的刀片，以将轻快切削与良好的切削刃强度相结合。
- 选择具有锋利切削和切削刃几何形状的刀片，以实现轻松切削和小刀具偏斜。请注意，更锋利的切削刃较弱，需要适当的断屑。
- 选择具有更坚韧硬质合金材质等级和更锋利槽型的刀片，尽管这会产生强度较低的切削刃，从而可能过早崩刃或断裂。为了提高切削刃的可靠性和刀具寿命，请使用韧性更好的切削材料来补偿较弱的槽型。
- 仔细选择切削条件以最小化切削深度。如果存在严重的振动风险，请使用至少大于刀尖半径 25% 的进给。评估切削速度，以避免在机床稳定性较差的 rpm 区域工作。
以下步骤会影响镗孔结果。将它们用作振动故障排除的检查表。
- 检查悬伸比，并根据需要修改刀具。您可以使用更大的刀具直径吗？锥形刀具类型？具有不同直径的模块化刀具类型？
- 使用最佳刀具夹紧 （Seco-Capto）。
- 将切削刃置于中心高度。
- 选择具有正前角几何形状和小半径的切削刃。选择涂层较薄的硬质合金材质等级。
- 仔细选择刀片的类型和尺寸以及刀尖半径。选择尽可能小的刀尖半径，并尽可能使其小于切削深度，以降低被动切削力。限制切削深度，以最大限度地减少刀具偏斜并保证工件的正确加工公差。当可能产生振动时，选择具有小顶角 （60° 或 55°） 的刀片，以将轻快切削与良好的切削刃强度相结合。
- 选择具有锋利切削和切削刃几何形状的刀片，以实现轻松切削和小刀具偏斜。请注意，更锋利的切削刃较弱，需要适当的断屑。
- 选择具有更坚韧硬质合金材质和更锋利槽型的刀片，尽管这会产生强度较低的切削刃，从而可能过早崩刃或断裂。为了提高切削刃的可靠性和刀具寿命，请使用韧性更好的切削材料来补偿较弱的槽型。
- 仔细选择切削条件以最小化切削深度。如果存在严重的振动风险，请使用至少大于刀尖半径 25% 的进给。评估切削速度，以避免在机床稳定性较差的 rpm 区域工作。
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