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1、金属切削理论教学探讨题第六组 切削振动组前 言 机械加工过程产生的振动特别困难，须要依据不同状况综合分析缘由，实行措施加以消退和限制，以保证加工工件的质量要求，提高生产率，提高机床的运用寿命并创建良好工作环境。1 机械加工中的振动的危害（1）对工件质量的危害）对工件质量的危害 加工过程中的振动降低了加工表面的质量，加工过程中的振动降低了加工表面的质量，引起加工表面的振动水纹，表面粗糙度值增大。引起加工表面的振动水纹，表面粗糙度值增大。它还会使工件和刀具之间产生相对位移，影响它还会使工件和刀具之间产生相对位移，影响正常的运动轨迹。这样，就降低了工件的尺寸正常的运动轨迹。这样，就降低了工件的尺寸和
2、形位精度。和形位精度。（2）对机床及工装夹具的危害）对机床及工装夹具的危害 振动使机床及夹具的运动元件之间松动，振动使机床及夹具的运动元件之间松动，间隙增大，加快了机床及夹具零件的磨损，造间隙增大，加快了机床及夹具零件的磨损，造成机床及夹具精度下降，影响切削质量，降低成机床及夹具精度下降，影响切削质量，降低机床及夹具的运用寿命。严峻时甚至造成重大机床及夹具的运用寿命。严峻时甚至造成重大平安事故。平安事故。（3）对切削刀具的危害）对切削刀具的危害 由于振动的产生，影响刀具的正常切削条由于振动的产生，影响刀具的正常切削条件，使刀具承受交变切削力的作用，切削热增件，使刀具承受交变切削力的作用，切削热
3、增加，进而加快了刀具的磨损，甚至会引起切削加，进而加快了刀具的磨损，甚至会引起切削刃的崩裂，大大降低了刀具的运用寿命。刃的崩裂，大大降低了刀具的运用寿命。1 机械加工中的振动的危害（4）对生产效率的影响）对生产效率的影响 为了避开工艺系统猛烈的振动，不得不降为了避开工艺系统猛烈的振动，不得不降低切削用量，如接受较低的转速和切深等。同低切削用量，如接受较低的转速和切深等。同时，由于降低了刀具的运用寿命，频繁换刀、时，由于降低了刀具的运用寿命，频繁换刀、磨刀，使生产效率下降。磨刀，使生产效率下降。（5）对操作环境的危害）对操作环境的危害 因振动会产生刺耳的噪声，使操作者的身心健康受到损害，降低了因
4、振动会产生刺耳的噪声，使操作者的身心健康受到损害，降低了工作效率。工作效率。2切削颤振的在线监测与限制探讨现状分析2.1机床颤振在线监测的探讨现状机床颤振在线监测的探讨现状颤振预报方法颤振预报方法在神经元网络未引入前主要分为两大类在神经元网络未引入前主要分为两大类基于快速傅立叶转换在基于快速傅立叶转换在频域频域内进行特征量的提取内进行特征量的提取在时域进行特征量的选取在时域进行特征量的选取,接受模式识别或时间序列接受模式识别或时间序列的方法进行颤振的预料及识别的方法进行颤振的预料及识别近年来近年来,模糊理论和人工智能技术的发展模糊理论和人工智能技术的发展,使切削颤振的早期预报正朝着智使切削颤振
5、的早期预报正朝着智能化方向发展。专家系统、人工神经元网络和模糊识别的理论及方法在切能化方向发展。专家系统、人工神经元网络和模糊识别的理论及方法在切削颤振预报中得到了应用削颤振预报中得到了应用,增大了预报系统的容错实力和判别速度。增大了预报系统的容错实力和判别速度。2切削颤振的在线监测与限制探讨现状分析切削颤振监测信号的选择切削颤振监测信号的选择切削力信号切削力信号刀具与工件之间的振动位移信号刀具与工件之间的振动位移信号1995年年,D.M.Hummels接受一种基于局部最佳信号侦测技术接受一种基于局部最佳信号侦测技术(LORBF模模型型)应用神经元网络对传感器信号进行在线的快速预处理应用神经元
6、网络对传感器信号进行在线的快速预处理,有效地将谐振波有效地将谐振波信号从干扰噪声影响的传感信号中提取出来。信号从干扰噪声影响的传感信号中提取出来。车床尾架、刀架以及铣床主轴的振动加速度信号车床尾架、刀架以及铣床主轴的振动加速度信号切削位置旁边的振动声音信号切削位置旁边的振动声音信号反映工件加工表面水纹的光纤信号反映工件加工表面水纹的光纤信号传统方法传统方法2切削颤振的在线监测与限制探讨现状分析2.2机床颤振在线限制的探讨现状机床颤振在线限制的探讨现状2.2.1主动限制主动限制主动限制就是接受反馈限制的原理主动限制就是接受反馈限制的原理,检测出系统的某一状态量检测出系统的某一状态量(切削力或位切
7、削力或位移移)的变动的变动,然后把与状态量同频率、同幅度但反相的限制量加到这个状态然后把与状态量同频率、同幅度但反相的限制量加到这个状态量本身或作相应变动后加在其它状态量上去。量本身或作相应变动后加在其它状态量上去。例例1：在外圆车削中干脆将动态切削力信号放大并反相后作为电磁激振：在外圆车削中干脆将动态切削力信号放大并反相后作为电磁激振 器的输入信号器的输入信号,这样可使施加给工件的激励力始终跟踪动态切削力这样可使施加给工件的激励力始终跟踪动态切削力 并反相。并反相。例例2：接受状态空间方法对切削加工过程建立模型：接受状态空间方法对切削加工过程建立模型,通过调整刀具和工件通过调整刀具和工件 之
8、间的相对位置来对切削颤振进行闭环限制。之间的相对位置来对切削颤振进行闭环限制。2切削颤振的在线监测与限制探讨现状分析2.2.2被动限制被动限制被动型颤振限制方法主要是通过在系统中加入吸振部件来达到减振抑振的被动型颤振限制方法主要是通过在系统中加入吸振部件来达到减振抑振的效果效果消极限制：消极限制：不须要附加能源不须要附加能源,减振器的工作完全取决于主振动系统减振器的工作完全取决于主振动系统主动限制：主动限制：需附加能源需附加能源2切削颤振的在线监测与限制探讨现状分析调整切削参数抑制调整切削参数抑制通过在线调整切削参数通过在线调整切削参数,主要有变切削速度、变进给量和变刀具工作角度。主要有变切削
9、速度、变进给量和变刀具工作角度。例例1：Tarng等通过在确定转速范围内调整主轴转速等通过在确定转速范围内调整主轴转速,找寻到一最佳主找寻到一最佳主 轴转速轴转速,使刀具振动水纹和工件表面水纹之间相位差等于使刀具振动水纹和工件表面水纹之间相位差等于2,这这 样可使切削深度达到其最大切削稳定极限。样可使切削深度达到其最大切削稳定极限。例例2：Smith发觉颤振频率、切削系统固有频率和主轴转速之间有一个发觉颤振频率、切削系统固有频率和主轴转速之间有一个 困难关系困难关系,当通过调整主轴转速当通过调整主轴转速,使颤振频率等于切削系统固有频使颤振频率等于切削系统固有频 率时率时,刀具振动波形和工件表面
10、水纹之间相位差等于刀具振动波形和工件表面水纹之间相位差等于2、系统稳、系统稳 定性最佳定性最佳,颤振将被抑制。颤振将被抑制。例例3：于骏一等将变速切削法与颤振预报相结合：于骏一等将变速切削法与颤振预报相结合,实现了颤振的在线监实现了颤振的在线监 视限制。视限制。3 数控车床的切削振动分析与限制方案 强制振动强制振动是因断续切削而导致的强制振动或者是因转动零件有瑕疵是因断续切削而导致的强制振动或者是因转动零件有瑕疵而造成的振动，一般常见的因轴承损坏而造成的异音、齿轮啮合不佳、而造成的振动，一般常见的因轴承损坏而造成的异音、齿轮啮合不佳、工件夹持不佳、主轴摆幅过大等现象皆属此类。工件夹持不佳、主轴
11、摆幅过大等现象皆属此类。自激振动自激振动是在切削加工时，具有周期性的工作凹凸不平特性，并造成是在切削加工时，具有周期性的工作凹凸不平特性，并造成周期相位的少许错开而又反复重迭的再生效果所产生的影响一般可称之周期相位的少许错开而又反复重迭的再生效果所产生的影响一般可称之为为“共振共振”，其主因来自于工具机结构的自然频率受到激发或者是工件，其主因来自于工具机结构的自然频率受到激发或者是工件夹持系统的自然频率过低而受到激发所引起。夹持系统的自然频率过低而受到激发所引起。3.1数控车床切削振动的分类数控车床切削振动的分类3 数控车床的切削振动分析与限制方案 3.2数控车床切削振动缘由分析数控车床切削振
12、动缘由分析 机内振源是指由机床本身的工艺系统造成的振动。机内振源是指由机床本身的工艺系统造成的振动。比如数控车床上各个机械部件的振动包括比如数控车床上各个机械部件的振动包括 运转部件不平衡引起的振动：如传动皮带轮、机床主轴、卡盘和工运转部件不平衡引起的振动：如传动皮带轮、机床主轴、卡盘和工件旋转过程中的不平衡引起的振动；件旋转过程中的不平衡引起的振动；机械传动部件引起的振动：如主轴箱中的齿轮啮合时的冲击力，卸机械传动部件引起的振动：如主轴箱中的齿轮啮合时的冲击力，卸荷带轮把径向载荷卸给箱体时的振动，三角皮带的厚度不匀整，皮带轮老荷带轮把径向载荷卸给箱体时的振动，三角皮带的厚度不匀整，皮带轮老化
13、松动等；化松动等；机床在进行断续切削加工时对工艺系统的冲击振动：如切削带有键机床在进行断续切削加工时对工艺系统的冲击振动：如切削带有键槽的工件表面时循环冲击载荷引起的振动等。槽的工件表面时循环冲击载荷引起的振动等。机外振源是指由机床外部的一些振动干扰源造成的振动。机外振源是指由机床外部的一些振动干扰源造成的振动。比如其它大型冲击设备、锻压设备、火车、高频振源等通过地基等比如其它大型冲击设备、锻压设备、火车、高频振源等通过地基等介质传递给车床的振动。介质传递给车床的振动。3 数控车床的切削振动分析与限制方案 3.3数控车床较简洁产生切削振动的场合数控车床较简洁产生切削振动的场合（1）瘦长轴类零件
14、的车削。）瘦长轴类零件的车削。（2）薄壁类零件的车削。）薄壁类零件的车削。（3）箱体类零件（如钣金焊接结构件）车削。）箱体类零件（如钣金焊接结构件）车削。（4）超硬材料的切削。）超硬材料的切削。（5）数控机床轴承已受损但仍接着切削等。）数控机床轴承已受损但仍接着切削等。（6）数控系统中与切削运动限制相关的参数设置不当。）数控系统中与切削运动限制相关的参数设置不当。除了上述场合以外，在数控车削时选择的切削用量过大、主切削力除了上述场合以外，在数控车削时选择的切削用量过大、主切削力的方向、车刀的几何角度的选择不当等也可能产生切削振动。的方向、车刀的几何角度的选择不当等也可能产生切削振动。3 数控车
15、床的切削振动分析与限制方案 3.4数控车床切削振动的限制方案数控车床切削振动的限制方案（1）依据数控车床加工的对象和切削工序，尽量选择合适的切削用量，）依据数控车床加工的对象和切削工序，尽量选择合适的切削用量，即最适当的切削速度、背吃刀量和进给速度。即最适当的切削速度、背吃刀量和进给速度。（2）针对一些瘦长轴类零件在加工中振动较大问题，应对其工艺系统进）针对一些瘦长轴类零件在加工中振动较大问题，应对其工艺系统进行一些改进，如安装中心架、跟刀架或者设计专用夹具等。行一些改进，如安装中心架、跟刀架或者设计专用夹具等。（3）提高切削工艺系统的刚性，例如运用弹性系数较高的刀杆或专用的）提高切削工艺系统
16、的刚性，例如运用弹性系数较高的刀杆或专用的抗振刀杆，如整体硬质合金的刀杆。抗振刀杆，如整体硬质合金的刀杆。（4）若机床的振动是由机外振源引起的，在设备的选址安装时应尽量远）若机床的振动是由机外振源引起的，在设备的选址安装时应尽量远离这些振动干扰源，或者实行一些隔振措施削减振源对车削加工的干扰。离这些振动干扰源，或者实行一些隔振措施削减振源对车削加工的干扰。比如在机床与振源之间挖防振沟，或者将数控车床放置在防振地基上等。比如在机床与振源之间挖防振沟，或者将数控车床放置在防振地基上等。（5）提高车床传动的制造精度。如将变速机构中齿轮啮合的制造精度提）提高车床传动的制造精度。如将变速机构中齿轮啮合的制造精度提高，可以削减因齿轮啮合传动而引起的振动。高，可以削减因齿轮啮合传动而引起的振动。汇报结束汇报结束感谢观看感谢观看