1、NanJing University of Aeronautics and Astronautics切削加工振动及其控制技术先进制造技术 丁文锋 教授SZ1205046 侯玉昭 航空工程NUAA索引切削加工振动分类及其危害分析1刺激振动2自激震动3切削加工振动控制技术4NUAA切削振动分类第一类振动与切削过程无关的振动切削振动机床-工件-刀具体系中的振动第二类振动与切削过程有关的振动强迫振动参数振动断续振动刺激振动自激振动NUAA切削振动危害分析危害程度第一类振动刺激振动自激振动NUAA索引切削加工振动分类及其危害分析1刺激振动2自激震动3切削加工振动控制技术4NUAA振动与切削过程相关切削力
2、不断变化刀具刚度造成的摆动形似鱼鳞声似汽车笛声刺激振动实例中等直径铣刀杆中低转速，刀杆长径比超过5，刀杆振动NUAA刺激振动的原因是由于工件横断面积的变更 , 使切削力发生变化。切屑横断面积总和变化有时由于切削过程限制而不能避免。刺激振动在铣削和刨销是，瞬时间接触齿数的改变，而使切削横断面积的总和变化。在车削和磨削时由于余量的不匀，工件的不圆或砂轮的不圆产生的振动。NUAA刺激振动最突出的特性为振动的频率与刺激力的频率相等（或为其倍数）刺激振动将刺激振动体系近似为，在周期性刺激力作用下的体系运动力（一个自由度的）的情况如下：将周期性作用力用三角级数表示，以上几个关系可以构建运动微分方程：NUA
3、A刺激振动解以上运动微分方程，可得振动特性方程：第二项代表刺激振动在外来力作用下总是存在着，刺激振动的振幅由下式决定：上式首项代表有阻振的自由振动，存在阻力时振动的自然角频率为:上式说明刺激振动的震幅由外力的振幅与频率和体系的特性（体系的质量和摩擦系数）而定。NUAA刺激振动刺激振动的振幅A当外力的振幅q增大和阻力系数r减小时而增大。振动的振幅更重要的是决定于外力的频率w。当以上两种频率相等时，振幅显著增加，这种现象即可成为“共振”。NUAA刺激力振幅不变时，增强系数与频率的关系刺激振动当频率比例过大的时候，增强系数接近于0频率比例值很小的时候增强系数接近于1比例为1时增强系数达到峰值频率比例
4、过大频率比例过小阻力系数对系统增强系数的影响非常大。增强系数共振NUAA切削力的变数部分为外来力，其性质由铣刀的不均衡系数来决定：除此之外，在各种情况下（包括均衡铣削）由于不可避免的铣刀摆动而产生切去，横断面积和切削力的变化，其频率与转速相等。刺激振动实际当中，各种情形下变化的切削力讨论如下：振幅为：a) 常数部分b) 变数部分,其频率等于单位时间内参加切削之齿数:而振幅决定于摆动量。NUAA刺激振动当然，铣削是切削力的变化方式或多或少地与正弦变化有所出入，但可以用基本正弦振动和他的高次谐振来表示。在铣削时，强迫振动从实验的研究知道，它最基本特征为其频率与切削速度即铣刀转数成线性关系。端铣切削
5、速度滚铣滚铣（圆柱形铣刀铣削）端铣一样其刺激振动振幅决定于切削用量，当增加切削深度与送刀量时，振幅简单地增长， 而铣削宽度对振幅影响极大而且不成简单关系。当用螺旋齿圆柱铣刀铣削时，铣切宽度与轴向齿距之比（宽度不均衡系数）为整数时，振动的振幅为最小。由实验得知最大的振幅出现在：同样地当端铣时，铣刀与工件接触弧长为圆周齿距的整数倍时，振幅为最小。切削速度不直接影响振动的振幅，但当一定的转速时（或在一定直径铣刀到达一定的切削速度）其中频率为 nz的振动的振幅突然增加，此时，已发生共振现象，铣床部件的自然振动频率一般在3080周之间或更高， 当多齿铣刀在中速铣切（此时由于z）或高速铣切（此时由于n）就
6、会发生共振。平时常见到铣切力与铣床工作台或立柱发生共振现象。此处D为铣刀直径NUAA刺激振动的产生最常见为在铣削时用圆柱形或端铣刀铣削时，切削力与主轴扭力矩有关，由于铣刀齿对工件瞬时接触角的改变，而产生周期性的变化，切削力变化的方式决定于参加切削齿数，当齿距角大于接触角时，切削是间断的（切削力由最大到0）；当，接触有几个齿，切削力常大于0。NUAA刺激振动的产生最常见为在铣削时若用螺旋齿圆柱铣刀铣削，当铣削宽度 B与轴向齿距h之比为整数，则为最好的情况，此时理论上切削力保持常数，（均衡铣削。）NUAA索引切削加工振动分类及其危害分析1刺激振动2自激震动3切削加工振动控制技术4NUAA自激振动实
7、例高频啸叫类似哨音类似起皱的丝绸Add Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd Your Text小直径细长刀杆或者薄壁工件进行高转速切削NUAA自激振动自激振动（自发振动），常以为没有任何外界刺激力亦会产生振动，事实上是因刺激而产生振动后外界的力就消失了，以后由于振动而与某能量来源相关连。振幅自激振动的振幅与起始状态无关，振动维持在激动能量与消耗能量相平衡的情况下。自激振动的外表特征为振动频率与切削速度、送刀量，切削深度和刀具几何形状都无关，而振动体系的性质（刚度与质量）对频率有决定性的影响。切削速度试验得出产生振动的特性，严重地受 速度的影响。自激振动
8、NUAA舒金贝试验车削刚轴时用镶硬质合金 a-21(T21K8) 的标准车刀，保持不变的切削深度 t=2cm 及不变的进刀 S=0.48cm/r, 观察其情况 。振动并未产生。v=10m/minV=2060m/minV=60170m/min出现强烈振动，留在工件表面长 度达 10mm，深度达3cm的周期性波纹此时车床与工件引起强烈摇动。振动即停止，切削进行完全平静。V=170250m/min振动重新产生，其 性 质 与 在v=2060m/min时完全不同，它并不引起机床与工件的摇动，只有车刀产生振动同时发出高频率啸声，在工件表面产生小的周期 性 波 纹 长 度13mm ，深度到0.2mmV=3
9、50400m/min振动完全消减。NUAA两种频率的振动自激振动两个切削速度范围会产生切削振动在每一个切削速度内振动的频率，实际上与切削速度无关。切屑明显呈阶梯状与机床频率相符振动主要出现在半径方向切屑外侧呈阶梯状大致与车刀频率相符振动主要出现在切线方向v=2060m/minv=170250m/minNUAA自激振动在加工表面上的波纹形状（振动轨迹）虽然近似于正弦曲线但又不全相同：车刀离开工件时刀尖沿较陡之曲线上升，当切入金属时较为缓和。近似地，当做正弦振动来研究：以上轨迹可以表达为：NUAA自激振动将系统简化为一个自由度的模型。（即假定车刀相对于均匀转动的工件只有径向y的位移。）在平静的自由
10、切削中力的公称值可以由下式表示：此处为切去层公称厚度，车削凸缘的宽度 ，为影响系数，背吃刀量对切削力的影响系数NUAA自激振动振动时的瞬时切去厚度为：切削力瞬时数值为车刀瞬时位置的函数，即则可将上式化简为：实际的振动系统中不断消耗能量在运动的各项阻力上，所以要维持振幅不变的稳定自激振动，必需以支持振动的力所作之功来补偿。因此应不单决定于振动的坐标 y并且是其速度y。NUAA自激振动位置的单值函数，由下图可见，切削力在切入时较小，而离开时较大，这样在振动中每一周冲击力传入到体系中，作了以 AB曲线所围面积的正功。根据振动原理，周期性力作用在依规律周期力做功为：NUAA自激振动最大的功在当时。换一
11、句话说要得到正值的功，切削力必须在相位上差异于刀具的振动。在车削振动示波法的研究中已经证实了切削力的振动与刀具振动的相位差角为6085度。当在径向y自激振动体系其微分式式可写成：现在已知三种变化的力可以支持自激振动。a)车刀前面与切屑，后面与加工表面间的变动摩擦力。b)当车刀在波形表面运动由于切去横断面积周期性变化引起的变动力。c)当振动时刀具原有几何形状改变引起的变动力。NUAA自激振动由以上振动现象分析可知，振动的最大特征为振幅在于消耗能量与输入能量之比有关。而与原始推力无关。振动体系的频率近似于振动体系的自然频率。由克叔林的研究可知系统可以与以下由摩擦力驱动的振动进行类比，相关的分析过程
12、略。当金属切削时车刀相当与重物而切削相当于运动带子。摩擦力与切屑滑过前面速度（等于切削速度乘以切屑收缩系数）的关系。在某一速度附近摩擦力变化最剧烈时则振幅为最大。同样在进给方向自激振动产生的原因也与以上原理相似。NUAA自激振动第二个支持振动的力为：刀具在前一转振动所留下波纹的轨迹上运动，过去所产生切削力的变动部分。实验中得知在下一转时的振动与上一转时的振动有70120度的相位差，这样可以设想，如果切削振动为谐振，被刀具切去金属层的厚度为二个有一定相位差的正弦曲线所包括的厚度。这样切去层截面积将是周期性的，在相当范围内变化而产生切削力的振动。由于振动频率和切削速度的相互作用，波纹的频率会发生跳
13、跃，一般圆周上的波纹数为n+3/4。当在切削条件稳定时振幅有不大的偶然变化，（增加或减少）相差也与的数值稍有变化，这样使切削厚度与切削力振幅有相当变化，因此切削力变化部分所作的功也有增加或减少，而使振动的振幅导向稳定状态。NUAA自激振动亚莫索夫的支持振动的功的实验从计算得出，支持振动的变化力全部做功约为消耗在切去切屑的13%。大约这功的15%为切屑形成时由物理过程（如摩擦力）所决定的变化力所作，其余85%由瞬时切屑厚度所决定的变化力所作。NUAA自激振动当存在振动时，在垂直于工件中心线的切削表面不是圆形而是在圆上的正弦曲线，若刀尖所画曲线为：前角与后角的数值可以由下式表示：NUAA自激振动第
14、三个支持振动的变化力，是因当振动时刀具的实际几何形状发生周期性的变化而发生的变化力。当存在振动时，在垂直于工件中心线的切削表面不是圆形而是在圆上的正弦曲线，若刀尖所画曲线为：切于正弦曲线任意一点的斜角的正切为：NUAA自激振动当很小时有从而有：从上式可得到重要的结论当时，实际后角在周期中某一部分将小于零，此时切削过程被破坏，因为车刀后面被加工表面挡住和推出来，切削厚度显著减少，这种现象阻碍了振动的产生。因此静止状的后角数值阻止振幅可能增加的范围。振幅增加达到的限值为此后增加即停止。NUAA三种变化的力可以支持自激振动1车刀前面与切屑，后面与加工表面间的变动摩擦力2当车刀在波形表面运动由于切去横
15、断面积周期性变化引起的变动力。3当振动时刀具原有几何形状改变引起的变动力。NUAA索引切削加工振动分类及其危害分析1刺激振动2自激震动3切削加工振动控制技术4NUAA切削加工振动控制技术切削速度切屑厚度体系的阻力被加工材料物理机械性能对加工振动产生影响的因素刀具几何形状体系的刚度刀具材料物理机械性能切屑宽度刀具切削面表面质量冷却液刀具后面磨损NUAA静态刚性制造频率切削力第一是减小切削力至最小第二是尽量增强刀具系统或者夹具与工件的静态刚性第三则是在刀杆内部再制造一个振动去打乱外激切削力的振频，从而消除刀具振动。切削加工振动控制技术NUAA无涂层非涂层刀片通常比涂层刀片要锋利物理涂层即便是涂层刀
16、片，物理涂层（PVD物理气相沉积）也比化学涂层（CVD或MTCVD）刃口要锋利钝化半径刃口的钝化半径通常在35u到75u之间使用锋利的刀片来降低切削力 NUAA图中的?R代表镗杆的弹变，可以看出当切深ap与等于刀尖圆弧半径时弹变最大，而且随着切深增加弹变不会再增加反而开始减小，因为径向切削力FCN在ap=r时最大，ap再增加只会增加轴向抗力，而轴向抗力不是细长刀杆产生振动弹变的原因，反过来还会使刀杆保持稳定比如刀片的刀尖角为0.8mm不变时，随着刀片切深的增加，细长的镗刀或铣刀杆振动倾向在切深ap和刀尖圆弧半径（r=0.8mm)相等时最大，当切深ap大于刀尖半径r后，刀杆的振动反而被抑制。切深
17、一定时使用小的刀尖圆弧半径NUAA无论是外圆车刀车削细长轴，还是细长刀杆的镗刀镗孔，总是90度主偏角的刀具产生的径向切削力最小，同时刀片刃口产生的轴向力最大；45度主偏角的车镗刀易发生切削振动，因为产生振动的径向切削力与轴向力相等，而使用圆刀片时径向切削力大于轴向力，最易发生振动。对于细长刀杆的镗刀和车削细长轴零件应采用90度主偏角刀具NUAA铣刀与镗刀相反，主偏角越接近90度径向切削力越大，刀杆振动越大。所以在模具深孔型腔的面铣削加工中通常选用45度主偏角铣刀，如果切深小于1mm常采用圆刀片铣刀或者球刀。对于细长杆的铣刀反而是圆刀片铣刀最有利于消振NUAA插铣就是刀具象钻头一样轴向进刀，当铣
18、削深的型腔时，通常长杆的悬伸大于3倍的刀杆直径，我们推荐使用轴向进刀的插铣方法，但是立铣刀刀片刃口有一定的径向切削刃，刀具供应商有技术资料说明此刀具在插铣时的最大吃刀宽度，需要特别留意。细长杆立铣刀铣削深型腔时常采用插铣方法面铣刀采用疏齿不等距铣刀来减小铣削振动NUAA“齿”指刀片。同样直径的面铣刀比如 100毫米，那么5个刀片的刀盘肯定比10个刀片的铣刀产生的铣削力小50%。其实5个刀片的100毫米刀盘相对于10个刀片的刀盘既为疏齿刀盘，如果刀片之间的间隔是不等的即为疏齿不等距铣刀，这种面铣刀不仅切削力小而且是没有固定频率去刺激工艺系统发生共振。内孔镗削时刀片刃形角越小越好NUAA这样副主偏
19、角很大，副刃口与被加工面的颤动接触区小，颤动很难变成振动，副切削刃挤屑的机会也小，例如在镗削内孔时，镗刀的主偏角假设为 93度，使用CCMT的刀片其副主偏角为7度，使用DCMT的刀片副主偏角为32度，切削要轻快的多。但是刃形角小的刀片安全性差。5580 提高刀杆的静态刚性(StaticToughness)NUAA最为简单明了的做法是加大刀杆的直径，将外伸刀杆的悬伸做到最短使用整体硬质合金或重金属刀杆提高刀杆的静态刚性NUAA很多刀具厂商都制作整体硬质合金刀杆或重金属刀杆，因为这些材料的抗压强度大，合金钢的抗压强度(compressive strength)为210Gpa，而整体硬质合金的抗压强度为900Gpa，是钢刀杆强度的2.5倍。提高刀具的动态刚性被动阻尼避振刀杆NUAA
