金属切削加工振动机理及工程消除方法

金属切削加工振动机理及工程消除方法

杨新一！，张文明2,王勃2,兰起洪2,李奔"

(!国网汝阳县供电公司，河南汝阳471200#.中航工业洛阳电光设备研究所，河南洛阳471009)

摘要：振动问题是金属切削过程中普遍存在的现象，通过研究切削振动的产生机理，并采用仿真模

拟计算与加工试验相结合的方法，介绍了金属切削过程中振动的分类与产生机理。结合具体的工程应用，

利用刚性辅助增强法和加工参数优化法这2种常用的振动消除工程方法，提出了判别金属切削过程中振

动产生的原因，以及抑制切削振动的工艺设计思路，对消除切削过程中的振动以及提高零件加工质量有着

积极的意义。

关键词：振动机理；颤刀纹；工艺技术

中图分类号：TG 502.14 文献标志码：A

The Vibration M echanism and Its Engineering E lim ination M ethod in the Process of M etal Cutting

YANG Xinyi1, ZH A N G W enm ing2, W ANG Bo2, LAN Qihong2, LI Ben2

(1. State Grid Ruyang County Electric Pow er Supply C om pany, Ruyang 471200, C hina；2. Luoyang

Institute of Electro-optical E quipm ent, A V IC, Luoyang 471009 ?China)

Abstract: T he phenomenon of vibration is widespread in the process of m etal cutting. T his pap classification of vibration and its form ation mechanism. And also, combined w ith the engineering applicat process design for vibration suppression in m etal cutting process is put forw ard. Combined w ith plication ,using the rigid assisted enhancem ent method and processing param eters optim ization method to eliminate vibration,

discrim inating vibration causes in the process of m etal cutting and process d esign of inhibition o f cutting v ibration are put ward ,to elim inate the vibration in the cutting process, which has a positive significance process m etal cutting and improve the machining quality to some extent.

K e y word s：vibration m echanism, vibration knife strip e, process technology

在金属切削过程中，工艺系统时常会发生振

动[1]。特别是随着产品轻量化、功能多样化的需求，

导致薄壁件、长悬伸零件的设计越来越多，结构件形

状越来越复杂，在机械加工过程中，时常会因为零件

刚度差、刀具刚度差和切削参数设置不当等因素导

致切削过程中产生振动。

切削过程中的振动是一种极具破坏性的有害现

象，会干扰和破坏成形运动，引起刀刃崩裂，缩短切

削系统寿命，降低生产效率，产生噪声污染；因此，研究金属切削过程中的振动产生的机理，探讨抑制振动产生的工艺措施，一直是机械加工领域的重要研究课题。

1切削加工振动的分类

切削过程中的振动类型如图1所示，包括自由振动、强迫振动以及自激振动等3种形式。其中，自激振动可分为再生型颤振、耦合型颤振和摩擦型颤振[]。

图1切削过程中的振动类型

2振动的基本原理

一个单自由度的结构可以简化为由质量^■、阻尼C和刚度6组成的单自由度系统[3](见图2)。

图2单自由度振动系统示意图

如果系统受到激励或是静止位置偏离原来的平 衡位置时，并使其进行自由的恢复运动，系统将做自 由振动。由于阻尼C的作用，其振动幅值随时间以 系统阻尼常数的函数衰减。振动频率主要取决于系 统的刚度々和质量m。

2.1自由振动

假设质量为自由质量，不受外力的作用，静态位 移为x$，将系统释放，由于工艺系统的阻尼作用，这 类振动会在外界干扰去除后迅速自行衰减，对加工 过程影响较小。

2.2 强迫振动

当系统受到外力时，系统将进行强迫振动。若

施加的外力为恒力时，系统将经过一段时间的过渡 振动，然后在静态偏离处稳定，当外力是谐波力时，则会出现持续振动。

金属切削过程中引起强迫振动的因素很多，例 如机床上齿轮传动不均匀和轴承制造精度不够，刀具上各切削刃间存在高度误差，工件上存在断续切 削或者余量不均、硬度不一致等。

2.3自激振动（颤振）

外界不给予机床系统任何干扰，该平稳切削加 工的过程将一直保持下去；然而在真正的生产实践 中，往往会受到很多外界干扰的影响，也就是说，上 述的平稳切削加工过程一定会受到外界的干扰而发 生振动。

2.3. 1再生型颤振

简便起见，考虑正交切削的情况，由外界激励引 起的机床振动使得刀具与工件之间在工件进给方向 上产生相对振动，则在第1层切削时，在原本表面光 滑的加工工件表面留下波纹，该波纹轨迹为x"— T)，当第2层开始时，加工的内外表面都有波纹，该 波纹轨迹为x"$主轴旋转1周所需的时间为了，本 次理论切削厚度为Z i。。其动态切削厚度变为％

O") w〇0—(x") —x"_T)]

再生型颤振产生示意图如图3所示。从图3中可以看出，当连续两振纹之间的相位差为。或2 + 时，无论机床如何振动，动态切削厚度都不会发生变 化，此时，切削加工过程是稳定的；当连续两振纹之 间的相位差为+时，动态切削厚度达到最大值，切削 过程中的颠振现象最为严重。

2. 3. 2耦合型颤振

耦合型颤振是由于振动系统在2个方向上的刚 度相接近时导致2个固有振型相耦合，因而引起颤 振。在切削过程中由于切削力的持续周期性变化，导致了工艺系统的耦合振动。

工件

c)炉=180。

图3再生型颤振产生示意图

2. 3. 3摩擦型颤振

摩擦型颤振是指切削速度方向上刀具与工件之

间的相互摩擦而引起的颤振，产生的机理主要是在

切削过程中切削力随切削速度的增大具有下降的特性，因而产生1个负摩擦力。而在切削过程中，切削速度不断地发生着细微的变化，导致了切削力不断地变化，从而使加工系统发生颤振。

总之，自激振动是由于刀具与工件之间切削力

的不断变化而导致切削厚度随着发生变化，所以等到下一次切削时又会产生新的振纹，如此循环反复，在刀具与工件之间形成了一个闭环控制系统，这个

闭环控制系统是以切削力激发、动态切削厚度作为反馈的，且切削厚度的动态变化与主轴旋转周期T 时刻前的切削振动有关的延时反馈系统。

3切削加工过程中振动消除的工程应用在工程应用中，切削过程的参与者包括机床、刀具、夹具和零件，金属切削过程中产生的振动等不稳定切削现象和其切削参与者密切相关。通过更改切

削过程中参与者的结构及切削参数可以达到消除振动的目的。常用的振动消除工程方法如下所述。3.1刚性辅助增强法

随着我国工业技术的不断发展，轻量化、复杂化

的结构设计越来越多，结构件的刚度问题逐渐成为导致加工质量差的关键因素，切削振动问题频发。

由于产品性能限制，加工零件的结构刚度差，导致切削过程不稳定，产生振动现象。工程中常用的

刚性辅助增强方法有刚性支撑法、填充法、粘结法和工艺柄辅助法等(4]。下述以某型零件为例，介绍工程中消除振动所应用的刚性辅助增强示例。