浅论镗铣加工中的振动与控制

摘要：在机械加工中产生的振动可分为受迫振动和自激振动，这些振动与机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的动态特性有关。本文详细分析了镗铣加工中振动的主要类型及产生的原因、振动的危害，并从刀具、夹具、切削工艺等方面提出了减小或消除振动的措施。

关键词：镗铣低频振动 高频振动 消除措施

在镗铣加工过程中产生的振动，不仅干扰了正常的切削过程，严重影响了加工件的表面质量，而且缩短了机床及刀具的使用寿命。由此产生的噪音甚至可能影响到操作者的工作情绪，给正常工作的开展带来一定负面影响。而为了减少振动，往往不得不减少加工时的进刀量，从而降低了生产效率。本人在实际工作中通过不断的实践，对这一现象进行了观察、分析和总结，取得了一定成果，现提出一些看法供大家探讨[1]。

1. 振动的分类

一般来讲，在机械加工中产生的振动有受迫振动和自激振动两种类型，这些振动与机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的动态特性有关。在消除机床回转组件(如电机、工件、旋转轴等)和传动系统(如皮带轮、滚动轴承、液压传动系统的压力脉冲等)的振动后，车削加工中的振动主要是不随车削速度变化的自激振动，工件系统的弯曲振动(其频率接近工件的固有频率的低频振动)和车刀的变形产生的弯曲振动(其振动频率接近车刀的固有频率的高频振动)。

2. 振动原因分析

2.1 低频振动的振动频率较低，通常发出的噪音比较低沉，振动较为剧烈，在加工表面留下的振动痕迹深而宽。通常在低频振动时，工件系统和刀架系统都在振动，它们时而趋远，时而趋近，产生大小相等方向相反的作用力和反作用力。在振动过程中，当工件与刀具趋远时，切削力F趋远的方向与工件位移方向相同，所做之功为正值，系统获得输入能量E(+)；当工件趋近刀具时，切削力F趋近的方向与工件位移方向相反，所做之功为负值，系统消耗能量E(-)。在车削过程中，各种因素的影响都可能引起切削力周期性的变化，并使F趋远>F趋近，E(+)>E(-)，即在每一振动周期中，切削力对工件(或刀具)所做之正功总是大于它对工件(或刀具)所做之负功，从而使工件(或刀具)获得能量补充产生自激振动[2]。

2.2 高频振动振动频率很高，产生的噪音尖锐刺耳，在加工件表面留下的痕迹细而密，振动时只是刀具本身在振动，而工件及机床部件却很稳定。其产生的主要原因是由于后刀面磨损较大，刀具后面与工件之间摩擦的下降性能引起的。

3. 控制振动的措施

由上面的分析可知，系统是否发生切削颤振，既与切削过程有关，又与工艺系统的结构刚度有关，针对振动的特点，特提出相应的控制振动的措施。

3.1 低频振动的控制

在低频振动时，Y方向的振动引起了切削力的变化，使得F趋远> F趋近，从而产生了振动。因此，除了增加系统沿Y方向的刚度及阻力外，设法减少切削分力Fy及任何阻止工件与刀具沿Y方向的相对位移的因素，通常都能减弱或消除振动。

3.2 调整切削参数控制振动

在线调整切削参数尤其是调整主轴转速来控制振动的方法简单易行，使用方便。通过把主轴转速调节到一定的转速范围内，道具振动波纹和工件表面波纹在最佳主轴转速的调节下之间的相位差等于2π，从而使切削深度达到其最大切削稳定极限[3]。根据颤振频率、切削系统固有的频率和主轴转速之间的关系，通过调整主轴转速，使颤振频率等于切削系统固有频率，道具振动波形和工作表面波纹之间相位差等于2π，系统达到最佳的稳定性，从而有效控制了振动。另一方面，也可以通过连续改变主轴转速来控制振动。主轴转速的连续改变在短时间内快速改变了切削过程刚度特性和阻尼特性，破坏了再生型振动产生和发展的条件，从而避免产生和恶化再生型振动。

3.3 运用主动控制法控制振动

主动控制法是以反馈控制为原理，将系统目标状态量的变动检出，然后与该状态量反相的同幅度、同频率控制量加到这个状态量本身或作相应变动后加在别的状态量上。比如，有些专家为了保证电磁激振器施加给工件的激励力始终跟踪动态切削力并与之方向相反，在外圆车削中直接将动态切削刀信号放大后作为电磁激振器的输入信号；有些专家采用的控制元件是压电陶瓷，运用遗传算法优化了压电片的贴放位置，仿真研究和主动控制了再生型振动，并通过在镗杆外粘贴压电片和在镗杆内置压电叠堆等对镗削过程的震动幅度进行了有效的控制。

3.4 运用被动控制法控制振动

被动控制法是通过在系统中加入吸振部件来减少或抑制振动的。消极的被动控制不需要添加外界能源，减振器的工作完全取决于主振动系统[4]。其结构简单。工作可靠的优点使其被广泛应用于实际的工程项目中。可以采用高强度材料、阻尼、摩擦、动力和冲击等措施来达到有效控制振动的效果。

刀具铣削工件的过程中，影响加工工件表面质量的重要因素之一就是刀具振动，因此在实际工作中认真观察总结出现的振动和振动产生的原因是十分有必要的。在了解振动的基础上，运用调整切削参数、主动控制法和被动控制法等方法来有效控制振动，对提高工作效率，进而提高企业的社会效益和经济效益具有重要的推动作用。

参考文献：

[1]韩兴瑞．机床切削振动的结构动力学模型的探讨[J］．机床与液压．2003(4):161--163.

[2]陈勇，刘雄伟，俞铁岳．立铣加工切削力和振动的计算机仿真与试验[J]．华侨大学学报

(自然科学版)．2006，27(1)：71～75.

[3]李亮，查文伟．薄壁零件高速铣削的振动问题分析[J]．盐城工学院学报(自然科学版)．

2006，19(2)：9～13.

[4]张杰斌，张涌． 减振原理在镗杆上的应用［J］． 机械工人: 冷加工，2004( 11) : 30-32．