什么是加工中的振动以及如何减少振动？
当在平衡点周围发生振荡时, 它们会产生称为振动的机械现象。在加工行业中，振动 (通常来自切削力或机床本身) 会导致意外结果。要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振动。振动是一种机械现象，在这种现象中，在平衡点周围发生振荡。这些振荡可能是周期性的，如摆动，也可能是随机的，如轮胎在碎石路上的移动。
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。但是，振动通常会浪费能量，同时会产生不必要的变形和噪音。例如,发动机、电动机和其他机械设备在运行中的大多数振动运动都是不想要的。旋转零件不平衡、摩擦不均匀、齿轮啮合等问题可能会引起振动, 而精心设计通常会最大限度地减少振动。
图1切削刀具的振动
机床、工件和刀具并非完全刚性，切削力会使其振动。机床、工件和切削刀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励振动或"颤振"问题。掌握这种现象的基本知识后，振动变得可预测，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，其中最重要的后果包括：
- 切削刃上的额外磨损和不受控制，不可预测的磨损模式 (例如切削刃有缺口和开裂)会影响加工可靠性。
- 表面粗糙度下降，报废或返工工件增加。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方面的问题。
- 上述两种振动效应也会对加工经济性产生负面影响。振动需要花钱。
- 由于振动需要能量，它还会浪费能量，并对加工操作员的专业精神构成挑战。
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图2 自由振动
自由振动发生在初始输入引发机械系统振动时，机械系统随后自由振动。这类似于当你拉回一个孩子的秋千, 然后释放它时会发生什么。然后，机械系统以一个或多个"自然频率"振动，然后降至零。
当对机械系统施加时间变化的干扰 (负载、位移或速度) 时，会发生强制振动。干扰可以是周期性、稳态输入或随机输入。在地震中当一台不平衡的洗衣机摇晃或建筑物振动时, 这些都是强制振动的例子。
图3 强制振动(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自然频率时, 振动的幅度会变得极高。系统的固有频率称为谐振频率。当你在秋千上推一个孩子时, 你必须在正确的时刻推动, 使秋千变得越来越高, 而大动作不需要施加大量的力。推力只需要不断向系统中添加能量。在转子轴承系统中，任何激发共振频率的旋转速度都称为临界速度。
机械系统中的共振可能导致系统性故障。因此, 振动分析必须预测何时可能发生这种共振, 并确定预防步骤。额外的阻尼可以显著降低振动的幅度, 也可以改变系统的刚度或质量, 使固有频率偏离强制频率。如果系统不能改变，则强制频率可能会改变 (例如，通过改变产生力的机器速度)。
图4共振振动。
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切削金属的力也作用于切削刀具上。这些力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振动。
切削力的动态特性会导致共振振动。由于切削刀具或工件细长，切削力过大，刀具或工件材料缺乏阻尼能力，切削方法不正确或刀具几何形状不正确，这种情况的风险会增加。
图6所示为钢制刀柄 (直径100毫米和悬伸长度500毫米) 。
图 6 在某些情况下，动态切削力会导致共振振动
在500 N的静态切削力下，该刀具将偏转25 µm。如果切削力在142 Hz的正弦模式下变化，则会发生可变偏转，振幅比静态偏转大20倍。这将导致共振振动。
当切削力影响切削刃的频率等于切削 刀具的本征频率 (共振频率) 时，可能会发生共振振动。切削工况 (铣削) 的变化，强烈的间歇性切屑碎片，甚至材料结构的不规则都会导致这种情况 (参见图7) 。
机械师还将共振振动称为颤振。振动本身并不是一个真正的问题, 但在某些情况下, 振动会通过无法控制的切削刃磨损或加工不完美的工件表面粗糙度而危及工艺质量。这些情况需要抑制振动，这是通过修改切削工况或在第二阶段通过修改刀具选择最容易实现。
图 7 材料结构中的不规则可能会导致振动
在上例中，阶段1表示材料不规则会在切削力中产生动态零部件的情况。在第2阶段，工件材料的这种不规则性会导致切屑厚度的变化。这会导致连续的动态切削力， 当其频率接近刀具的本征频率时，可能会发生共振振动。
在机械加工过程中对振动及其风险的任何分析都必须考虑 机床的稳定性。机床无法提供无限的稳定性, 通常, 随着机床主轴的转速增加, 机床稳定性下降 (参见图8 ) 。
图 8 机床的稳定性叶瓣图 (Tlusty和Tobias)。
一般来说，机床运行的转速 (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 会提高。特定切削刀具所选的转速可能在低稳定性范围内，从而触发振动 ，并且需要降低机床速度以消除振动。相反，所选转速可能会处于高稳定性区域，从而使切削工况保持在高水平。为避免振动，尤其是在高转速加工过程中，请小心选择转速。
在一般力学中，下图所示的模型 (图9) 决定了单面夹紧圆柱梁的弯曲 (例如，内圆车刀杆、铣刀、钻头等)。简而言之，一般而言，弯曲或变形越大，有害振动 (包括共振振动) 的风险就越高，刀具弯曲或变形的减少可降低振动风险。
图 9单侧夹紧圆柱梁弯曲、力和主要尺寸之间的关系。
从这种方式来看，振动风险的降低要求最大限度地减少刀具变形或弯曲。
这可以通过几种方式实现。
- 减小切削力或改变切削力作用于系统的方向。
- 使刀具更坚固，抗弯曲能力更高。图10中的公式显示，悬伸长度加倍会使挠曲增加8倍，而直径加倍会使挠曲减少16倍。因此，较短的刀具或较大的刀具具有较小的振动风险。因此，悬伸比 (L/D =不受支撑的长度或悬伸，除以直径) 通常为快速分析振动风险提供测量。基于悬伸比的一些指导：
- 如果悬伸比 小于3，通常不会发生振动。
- 如果悬伸比小于6，则振动风险会增加。
- 如果悬伸比小于9，可能会发生振动。
- 如果悬伸比大于9，振动 是确定的，而传统刀具通常无法解决该问题。
- 使用刚性更好的刀具材料。弹性模量 (E) 是一个主要元素。例如，用硬质合金替换钢制刀杆，可使挠曲降低高达50%。这种方法可以与锥形刀具的使用结合使用。
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后，得出了图10中所示的公式，以这种形式书写并应用于两个示例时，该公式非常显而易见。首先，悬伸长度为200，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的刀具也具有 4的悬伸比。这两种刀具是否会显示相同的振动风险？将这些值应用于图10中的公式中的两个刀具，您会发现第二个刀具显示两倍的弯曲，从而使振动风险增加一倍。
当振动风险较高时, 刀具的直径最为重要。
图 10 弯曲作为悬伸长度和直径的函数。
一些实际步骤可以最大限度地减少或避免振动风险。使用所有这些步骤更改切削力作用于切削刀具的大小或方向。
- 使用接近90°的主偏角。
- 使用较小的刀尖半径 和/或较锋利的切削刃。
- 降低切削深度并提高进给量。
- 改变切削速度。
- 使用更好的刀具夹持系统 (例如，Seco-Capto 和Seco Steadyline 刀具) 。
应用第一个建议 – 使用 接近90°的主偏角 – 在铣削应用中有所不同。与车削一样，所产生的切削力将与切削刃大致垂直 (图12)。当您考虑铣刀夹紧在铣床主轴上并评估弯曲风险时 (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。每个机床主轴都有一个固定的参考点, 主轴可以围绕该点摆动。
图11更好地夹紧切削刀具可降低振动风险。
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 较小 (切削力相同)。
图 12铣刀的切削力的大小和方向 (大致垂直于切削刃)。
图 13 (F x l) 确定了铣削中的振动风险。
要解决铣削中的振动问题，请选择合适的刀具和切削工况以更改切削力的大小和方向。
- 选择疏齿距的铣刀，并以尽可能小的悬伸夹紧它们。
- 选择具有正角槽型的切削刃。
- 选择直径较小的铣刀，特别是使用Steadyline 刀具。
- 选择较小的切削刃半径。
- 选择涂层更薄的硬质合金材质等级。
- 使用大的每齿进给量。降低旋转速度并保持工作台进给量，以实现每个齿更大的进给量。发生振动时，切勿减少每个齿的进给量。
- 减小轴向和径向切削深度。
- 使用稳定的铣刀夹紧系统。对于模块化刀具夹持系统, 使用尽可能大的连接尺寸。使用锥形刀柄。
- 将铣刀置于工件中心。应用逆铣技术。
从正常进给和切削速度开始。如果出现振动，请逐渐进行以下更改：
- 提高进给量，
- 提高转速。
- 降低转速。
- 减少进给量，直到振动消失或至少最小化。
以下步骤会影响车削结果。将其用作振动故障排除的核对表。
- 选择基本刀具系统和尺寸以获得最大的稳定性 和刚度。夹持最短悬伸量的刀具。这可产生更高的刀具自然频率并减少挠曲，从而更容易避免振动或在发生振动时抑制它。
- 仔细选择刀片的类型和尺寸和刀尖半径。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。当可能发生振动时，请选择顶部角较小 (60°或55°)的刀片，以将轻快切削与良好的刃口强度相结合。
- 选择具有锋利切削和切削刃槽型的刀片，以实现轻松切削且刀具偏转小。请注意，锋利的切削刃较弱，需要正确的断屑。
- 选择具有韧性更好的硬质合金材质等级和更锋利槽型的刀片，尽管这样可以产生强度较低的切削刃，以免过早发生微崩或断裂。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几何形状。
- 小心选择切削工况以尽量减少切削深度。如果存在严重的振动风险，请使用至少超过刀尖半径25%的进给。评估切削速度，以避免在机床稳定性较低的rpm区域工作。
以下步骤会影响镗削结果。将其用作振动故障排除的核对表。
- 检查悬伸比 ，必要时修改刀具。您能否使用更大的刀具直径？锥形刀具类型？具有不同直径的模块化刀具类型？
- 使用尽可能最佳的刀具夹紧 (Seco-Capto)。
- 将切削刃置于中心高度。
- 选择具有正角几何形状和小圆弧半径的切削刃。选择涂层更薄的硬质合金材质等级。
- 仔细选择刀片的类型和尺寸和刀尖半径。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。当可能发生振动时，请选择顶部角较小 (60°或55°)的刀片，以将轻快切削与良好的刃口强度相结合。
- 选择具有锋利切削和切削刃槽型的刀片，以实现轻松切削且刀具偏转小。请注意，锋利的切削刃较弱，需要正确的断屑。
- 选择具有韧性更好的硬质合金材质等级和更锋利槽型的刀片，尽管这样可以产生强度较低的切削刃，以免过早发生微崩或断裂。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几何形状。
- 小心选择切削工况以尽量减少切削深度。如果存在严重的振动风险，请使用至少超过刀尖半径25%的进给。评估切削速度，以避免在机床稳定性较低的rpm区域工作。
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