金属切削理论 切削振动
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金属切削理论教学讨论题 第六组 切削振动组
前言
机械加工过程产生的振动非常复杂， 需要根据不同情况综合分析原因，采取 措施加以消除和控制，以保证加工工件 的质量要求，提高生产率，提高机床的 使用寿命并创造良好工作环境。
1 机械加工中的振动的危害
（1）对工件质量的危害
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波 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 正常的运动轨迹。这样，就降低了工件的尺寸和形位精度。
2 切削颤振的在线监测 与控制研究现状分析
2.2机床颤振在线控制的研究现状 2.2.1主动控制
主动控制就是采用反馈控制的原理,检测出系统的某一状态量(切削力或位 移)的变动,然后把与状态量同频率、同幅度但反相的控制量加到这个状态 量本身或作相应变动后加在其它状态量上去。
例1：在外圆车削中直接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,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。
（2）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，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，降低机床 及夹具的使用寿命。严重时甚至造成重大安全事故。
（3）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件，使刀具承受交变切削 力的作用，切削热增加，进而加快了刀具的磨损，甚至会引起切削刃的 崩裂，大大降低了刀具的使用寿命。
3.1数控车床切削振动的分类
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 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。
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“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 件夹持系统的自然频率过低而受到激发所引起。
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。
3 数控车床的切削振动分析与控制方案
3.4数控车床切削振动的控制方案
（1）根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。 （2）针对一些细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。 （3）提高切削工艺系统的刚性，例如使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。 （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 离这些振动干扰源，或者采取一些隔振措施减少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。 （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 高，可以减少因齿轮啮合传动而引起的振动。
例2：采用状态空间方法对切削加工过程建立模型,通过调节刀具和工件
之间的相对位置来对切削颤振进行闭环控制。
2 切削颤振的在线监测 与控制研究现状分析
2.2.2被动控制
被动型颤振控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
消极控制： 不需要附加能源,减振器的工作完全取决于主振动系统
积极控制： 需附加能源
2 切削颤振的在线监测 与控制研究现状分析
2.1.2切削颤振监测信号的选择
传统方法
切削力信号 刀具与工件之间的振动位移信号 车床尾架、刀架以及铣床主轴的振动加速度信号 切削位置附近的振动声音信号 反映工件加工表面波纹的光纤信号
1995年, D. M. Hummels采用一种基于局部最佳信号侦测技术(LORBF模 型)应用神经元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 信号从干扰噪声影响的传感信号中提取出来。
2 切削颤振的在线监测
与控制研究现状分析
2.2.3调整切削参数抑制
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。
例1：Tarng等通过在一定转速范围内调节主轴转速,寻找到一最佳主 轴转速,使刀具振动波纹和工件表面波纹之间相位差等于2π,这 样可使切削深度达到其最大切削稳定极限。
汇报结束 感谢观看
3 数控车床的切削振动分析与控制方案
3.2数控车床切削振动原因分析
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 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； 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，三角皮带的厚度不均匀，皮带轮 老化松动等； 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 槽的工件表面时循环冲击载荷引起的振动等。
例2：Smith发现颤振频率、切削系统固有频率和主轴转速之间有一个 复杂关系,当通过调整主轴转速,使颤振频率等于切削系统固有频 率时,刀具振动波形和工件表面波纹之间相位差等于2π、系统稳 定性最佳,颤振将被抑制。
例3：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 视控制。
3 数控车床的切削振动分析与控制方案
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 介质传递给车床的振动。
3 数控车床的切削振动分析与控制方案
3.3数控车床较容易产生切削振动的场合
（1）细长轴类零件的车削。 （2）薄壁类零件的车削。 （3）箱体类零件（如钣金焊接结构件）车削。Biblioteka Baidu（4）超硬材料的切削。 （5）数控机床轴承已受损但仍继续切削等。 （6）数控系统中与切削运动控制相关的参数设置不当。
1 机械加工中的振动的危害
（4）对生产效率的影响
为了避免工艺系统剧烈的振动，不得不降低切削用量，如采用较低 的转速和切深等。同时，由于降低了刀具的使用寿命，频繁换刀、磨刀， 使生产效率下降。
（5）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 工作效率。
2 切削颤振的在线监测 与控制研究现状分析
2.1机床颤振在线监测的研究现状 2.1.1颤振预报方法
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频域内进行特征量的提取
在时域进行特征量的选取,采用模式识别或时间序列 的方法进行颤振的预测及识别
近年来,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 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,增大了预报系统的容错能力和判别速度。
前言
机械加工过程产生的振动非常复杂， 需要根据不同情况综合分析原因，采取 措施加以消除和控制，以保证加工工件 的质量要求，提高生产率，提高机床的 使用寿命并创造良好工作环境。
1 机械加工中的振动的危害
（1）对工件质量的危害
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波 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 正常的运动轨迹。这样，就降低了工件的尺寸和形位精度。
2 切削颤振的在线监测 与控制研究现状分析
2.2机床颤振在线控制的研究现状 2.2.1主动控制
主动控制就是采用反馈控制的原理,检测出系统的某一状态量(切削力或位 移)的变动,然后把与状态量同频率、同幅度但反相的控制量加到这个状态 量本身或作相应变动后加在其它状态量上去。
例1：在外圆车削中直接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,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。
（2）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，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，降低机床 及夹具的使用寿命。严重时甚至造成重大安全事故。
（3）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件，使刀具承受交变切削 力的作用，切削热增加，进而加快了刀具的磨损，甚至会引起切削刃的 崩裂，大大降低了刀具的使用寿命。
3.1数控车床切削振动的分类
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 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。
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“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 件夹持系统的自然频率过低而受到激发所引起。
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。
3 数控车床的切削振动分析与控制方案
3.4数控车床切削振动的控制方案
（1）根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。 （2）针对一些细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。 （3）提高切削工艺系统的刚性，例如使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。 （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 离这些振动干扰源，或者采取一些隔振措施减少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。 （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 高，可以减少因齿轮啮合传动而引起的振动。
例2：采用状态空间方法对切削加工过程建立模型,通过调节刀具和工件
之间的相对位置来对切削颤振进行闭环控制。
2 切削颤振的在线监测 与控制研究现状分析
2.2.2被动控制
被动型颤振控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
消极控制： 不需要附加能源,减振器的工作完全取决于主振动系统
积极控制： 需附加能源
2 切削颤振的在线监测 与控制研究现状分析
2.1.2切削颤振监测信号的选择
传统方法
切削力信号 刀具与工件之间的振动位移信号 车床尾架、刀架以及铣床主轴的振动加速度信号 切削位置附近的振动声音信号 反映工件加工表面波纹的光纤信号
1995年, D. M. Hummels采用一种基于局部最佳信号侦测技术(LORBF模 型)应用神经元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 信号从干扰噪声影响的传感信号中提取出来。
2 切削颤振的在线监测
与控制研究现状分析
2.2.3调整切削参数抑制
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。
例1：Tarng等通过在一定转速范围内调节主轴转速,寻找到一最佳主 轴转速,使刀具振动波纹和工件表面波纹之间相位差等于2π,这 样可使切削深度达到其最大切削稳定极限。
汇报结束 感谢观看
3 数控车床的切削振动分析与控制方案
3.2数控车床切削振动原因分析
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 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； 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，三角皮带的厚度不均匀，皮带轮 老化松动等； 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 槽的工件表面时循环冲击载荷引起的振动等。
例2：Smith发现颤振频率、切削系统固有频率和主轴转速之间有一个 复杂关系,当通过调整主轴转速,使颤振频率等于切削系统固有频 率时,刀具振动波形和工件表面波纹之间相位差等于2π、系统稳 定性最佳,颤振将被抑制。
例3：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 视控制。
3 数控车床的切削振动分析与控制方案
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 介质传递给车床的振动。
3 数控车床的切削振动分析与控制方案
3.3数控车床较容易产生切削振动的场合
（1）细长轴类零件的车削。 （2）薄壁类零件的车削。 （3）箱体类零件（如钣金焊接结构件）车削。Biblioteka Baidu（4）超硬材料的切削。 （5）数控机床轴承已受损但仍继续切削等。 （6）数控系统中与切削运动控制相关的参数设置不当。
1 机械加工中的振动的危害
（4）对生产效率的影响
为了避免工艺系统剧烈的振动，不得不降低切削用量，如采用较低 的转速和切深等。同时，由于降低了刀具的使用寿命，频繁换刀、磨刀， 使生产效率下降。
（5）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 工作效率。
2 切削颤振的在线监测 与控制研究现状分析
2.1机床颤振在线监测的研究现状 2.1.1颤振预报方法
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频域内进行特征量的提取
在时域进行特征量的选取,采用模式识别或时间序列 的方法进行颤振的预测及识别
近年来,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 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,增大了预报系统的容错能力和判别速度。