什么是振動？

振動是一種機械現(xiàn)象梅垄，在這種現(xiàn)象中落剪，物體圍繞一個平衡點進行振蕩。這些振蕩可能是周期性的场靴，就像鐘擺的擺動一樣啡莉；也可能是隨機的，如同汽車輪胎在碎石路上的運動那樣旨剥。

有時候咧欣，振動是人們所需要的。例如轨帜，手機聲音之所以能被聽到近沐，正是因為聲音在空氣的振動。然而梯匈，更多時候象瓤，振動會浪費能量，同時還會產(chǎn)生不必要的變形以及噪聲士涤。比如叨林，發(fā)動機、電動機以及其他正在運轉(zhuǎn)的機械設(shè)備所產(chǎn)生的大部分振動都是人們不希望出現(xiàn)的剩耸。不平衡的旋轉(zhuǎn)部件料鲫、不均勻的摩擦、齒輪的嚙合等問題都可能引發(fā)振動士宏，而精心的機械設(shè)計通常會盡量減少這些振動肝慕。

為什么加工會產(chǎn)生振動？

圖1：切削刀具中的振動

機床掐悄、工件和刀具并非完全剛性的商贾，切削力會使它們產(chǎn)生振動。機床吨拗、工件和刀具的動態(tài)特性會限制切削性能满哪。剛性過小以及減振不足，可能會導致自激振動或“顫振”問題劝篷。憑借對這一現(xiàn)象的基本知識哨鸭，顫振是可以預測的民宿，這有助于改善切削性能。

為什么應該盡量減少加工中的振動像鸡？

加工過程中的振動會產(chǎn)生諸多負面影響活鹰，其中最重要的影響包括以下幾點：

• 切削刃過度磨損以及出現(xiàn)不可控、不可預測的磨損形態(tài)（例如只估，切削刃崩刃和開裂）志群，這會損害加工的可靠性。

• 造成工件表面光潔度降低蛔钙，甚至報廢或需返工锌云。可能導致交貨時間和交貨保障方面出現(xiàn)問題吁脱。

• 正如上述兩點所說桑涎，振動會對我們加工的經(jīng)濟性造成影響，造成額外的資金浪費灿躏。

• 由于振動需要能量烈瘸，因此也會浪費能源，并對加工操作人員的專業(yè)素質(zhì)提出挑戰(zhàn)兽肮。

機加工中有哪些不同類型的振動范般？

切削中的自由振動

圖2：自由振動

當一個初始輸入在機械系統(tǒng)中引發(fā)振動，隨后該系統(tǒng)自由振動時郭血，就會產(chǎn)生自由振動钟展。這類似于你將兒童秋千往后拉然后再松開時所發(fā)生的情況。接著缤滑，該機械系統(tǒng)會以其一個或多個“固有頻率”進行振動，然后逐漸衰減至零勃谎。

機械加工中的受迫振動

當機械系統(tǒng)受到時變干擾（載荷瓤危、位移或速度）時，就會產(chǎn)生受迫振動慷境。干擾可以是周期性的么鸿，也可以是穩(wěn)態(tài)輸入或隨機輸入。例如不平衡的洗衣機搖晃或建筑物在地震中振動冗懦，這些都是受迫振動的例子爽冕。

圖3：受迫振動（f = 頻率，A = 振幅）

系統(tǒng)的頻率響應是受迫振動最重要的特征之一披蕉。在一種稱為共振的現(xiàn)象中颈畸，當受迫頻率接近輕阻尼系統(tǒng)的固有頻率時，振動的振幅會變得極高没讲。系統(tǒng)的固有頻率稱為共振頻率眯娱。當你推著孩子蕩秋千時礁苗，必須在正確的時刻用力，才能使秋千越蕩越高徙缴。推力只需不斷為系統(tǒng)增加能量试伙。在轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)中，任何能激發(fā)共振頻率的轉(zhuǎn)速都稱為臨界轉(zhuǎn)速于样。

加工中的共振振動

機械加工中的共振可能導致系統(tǒng)性的故障疏叨。因此，振動分析必須預測何時可能發(fā)生此類共振穿剖，并確定預防措施蚤蔓。增加阻尼可以顯著降低振動幅度，改變系統(tǒng)的剛度或質(zhì)量也可以使固有頻率偏離受迫頻率水搀。如果系統(tǒng)無法改變涛帐，或許可以改變頻率（例如，改變機床的速度）沟智。

圖4：共振振動

切削力對振動現(xiàn)象的影響

切削金屬的那些力同樣也會作用于切削刀具梯匠。這些力會使切削刀具變形和彎曲，并可能導致振動啡洁。

圖5：切削力以及刀具強度不足導致金屬切削過程中產(chǎn)生振動扶绒。

切削力的動態(tài)特性可能會導致共振振動。當使用細長的切削刀具或工件蕊肖、切削力過大幅之、刀具或工件材料缺乏阻尼能力、采用不正確的切削方法或刀具幾何形狀不合理時逐豆，出現(xiàn)這種情況的風險就會增加刑炎。

圖6展示了一個鋼制刀架（直徑為100毫米，懸伸長度為500毫米）范颠。

圖 6 在某些情況下浦译，動態(tài)切削力會導致共振振動 

在靜態(tài)切削力為500牛的情況下，該刀具會產(chǎn)生25微米的撓度溯职。如果切削力以142赫茲的正弦模式變化精盅，就會出現(xiàn)可變撓度，其振幅會比靜態(tài)撓度大20倍谜酒。這將導致共振振動叹俏。

當切削力作用于切削刃的頻率等于切削刀具的固有頻率（共振頻率）時，就會發(fā)生共振振動僻族。切削條件的變化（銑削時）粘驰、強烈且間歇性的斷續(xù)切削，甚至材料結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性都可能導致這種情況（見圖7）述么。

機械師也將共振振動稱為顫振晴氨。就其本身而言康嘉，顫振并非真正的大問題，但在某些情況下籽前，顫振會因切削刃出現(xiàn)不可控的磨損或工件加工表面光潔度不佳而危及加工過程的質(zhì)量亭珍。在這些情況下，就需要抑制顫振枝哄，而通過改變切削條件最容易實現(xiàn)這一點稿服，其次還可以通過改變刀具的選用來實現(xiàn)。

圖 7 材料結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性可能導致振動 

在上述示例中德籍，第 1 階段代表一種情況舀闻，即材料的不規(guī)則性在切削力中產(chǎn)生了動態(tài)分量。在第 2 階段消耸，工件材料的不規(guī)則性導致切屑厚度變化手霎。這導致了持續(xù)的動態(tài)切削力，當其頻率接近刀具的特征頻率時租既，就會產(chǎn)生共振振動杖进。

機床穩(wěn)定性對振動的影響

對加工過程中的振動及其風險進行的任何分析都必須考慮機床的穩(wěn)定性。機床無法提供無限的穩(wěn)定性宿拔，而且一般來說隧庐，隨著機床主軸轉(zhuǎn)速的增加，刀具的穩(wěn)定性會下降（見圖8）视甩。

圖8 某機床的穩(wěn)定性葉瓣圖

一般來說士袜，機床運行時的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（rpm）越高，產(chǎn)生振動的風險就越大电爹。然而蔫仙，在某些特定轉(zhuǎn)速下，穩(wěn)定性會有所增強丐箩。針對某一特定切削刀具所選用的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)可能處于穩(wěn)定性較差的區(qū)間摇邦，這就會引發(fā)振動，從而需要降低機床轉(zhuǎn)速來消除振動雏蛮。相反涎嚼，所選的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)也可能處于穩(wěn)定性較高的區(qū)域阱州，這樣就能使切削條件保持在較高水平挑秉。為避免振動，尤其是在較高轉(zhuǎn)速加工期間苔货，要謹慎選擇轉(zhuǎn)速犀概。

如何確定單邊夾緊圓柱梁的彎曲度？

在普通力學中夜惭，如下圖（圖9）所示的模型可用于確定單邊夾緊圓柱梁（例如姻灶，內(nèi)圓車刀刀架铛绰、銑刀、鉆頭等）的彎曲度铡畜。簡單通俗地講丈巩，彎曲度或撓度越大，有害振動（包括共振）的風險就越高那梭，而減少刀具的彎曲度或撓度則會降低振動風險超丛。

圖9 單邊夾緊圓柱梁的彎曲度、受力與主要尺寸之間的關(guān)系竣恃。

從這個角度來看逢棺，要降低振動風險，就必須盡量減少刀具的變形或彎曲筝驱。

這可以通過幾種方式來實現(xiàn)篱馅。

• 減小切削力或改變切削力作用于系統(tǒng)的方向。

• 增強刀具強度耽炎，使其具備更高的抗彎曲能力展嘲。圖 10 中的公式表明，懸伸長度加倍會使撓度增大 8 倍相梭，而直徑加倍則會使撓度減小 16 倍辽乎。因此，較短的刀具或尺寸更大的刀具產(chǎn)生振動的風險更低涂滴。所以友酱，懸伸比（L/D，即無支撐長度或懸伸長度除以直徑）通橙嶙荩可作為快速分析振動風險的一種衡量指標缔杉。

基于懸伸比的一些參考準則如下：

如果懸伸比小于 3，通常不會發(fā)生振動搁料。

如果懸伸比小于 6或详，則會出現(xiàn)振動風險。

如果懸伸比小于 9郭计，則可能發(fā)生振動霸琴。

如果懸伸比大于 9，則一定會發(fā)生振動昭伸，傳統(tǒng)的工具往往無法解決問題梧乘。

• 使用剛度更高的刀具材料。彈性模量（E）是一個關(guān)鍵要素庐杨。例如选调，將鋼制刀柄更換為硬質(zhì)合金刀柄，撓度最多可降低 50%律愉。這種方法可與采用錐形刀具結(jié)合使用臭呀。

振動中的懸伸考量

當你利用懸伸比來幫助預測振動風險時喂磷，要謹慎考慮。對圖9中的公式進一步分析可得出圖10所示的公式聊树，當以這種形式呈現(xiàn)并應用于兩個示例時欲访，該公式很能說明問題。首先峦筏，一把懸伸長度為200毫米嫁商、直徑為50毫米的刀具，其懸伸比為4笋俭。其次捏趴，另一把長度為100毫米、直徑為25毫米的刀具沦恩，其懸伸比同樣為4筑唁。這兩把刀具會顯示出相同的振動風險嗎？將這兩把刀具的相應數(shù)值代入圖10的公式中拒惯，你會發(fā)現(xiàn)第二把刀具的彎曲度是第一把的兩倍饺饭，因此其振動風險也是第一把的兩倍。

當振動風險較高時职车，刀具的直徑是最為重要的因素瘫俊。

圖10：彎曲度隨懸伸長度和直徑變化的函數(shù)關(guān)系。

如何盡量減少和控制機加工中的振動悴灵？

一些實用的步驟可以將振動風險降至最低或避免振動風險扛芽。運用所有這些步驟來改變切削力作用于切削刀具的大小或方向。

•  采用接近 90° 的刃口角积瞒。

• 使用更小的刀尖半徑和 / 或更鋒利的切削刃川尖。

• 減小切削深度并增加進給量。

• 改變切削速度茫孔。

• 使用更好的刀具裝夾系統(tǒng)叮喳，例如山高Capto和山高減震（Seco Steadyline）刀具

在銑削應用中，對“采用接近90°的刃口角”這第一條建議要采用不同的運用方式缰贝。如同車削時那樣馍悟，所產(chǎn)生的切削力將大致與切削刃垂直（見圖12）。當你考量裝夾在銑床主軸中的銑刀并評估其彎曲風險（見圖13）時剩晴，要根據(jù)切削力乘以切削力方向與主軸內(nèi)一個“參考”點之間的距離來判定振動風險锣咒。每臺機床的主軸都包含一個固定參考點，主軸能夠圍繞該點擺動慕怀。

圖11：更好地裝夾切削刀具可降低振動風險线盔。

當你將刃口角為 90°的方肩銑刀與刃口角僅有幾度的快進給銑刀作比較時就會發(fā)現(xiàn)灸颜，（圖13）前者切削力的方向與參考點之間的距離更小阐祭，因此柄童，在切削力相同的情況下，其振動風險也更低搬挡。

圖12：銑刀切削力的大小和方向（大致垂直于切削刃）免趋。

圖13 ：力F×距離L）決定了銑削中的振動風險。

根據(jù)您的工況來減少振動的檢查清單

如何降低銑削過程中的振動术拇？

為解決銑削中的振動問題蔬透，需選擇合適的刀具及切削條件，以改變切削力的大小和方向祠烁。

• 選擇粗齒距的銑刀发荧，并以盡可能小的懸伸長度進行裝夾。

• 選擇具有正前角形狀的切削刃饰吕。

• 選擇直徑較小的銑刀刃唤，特別是搭配Steadyline刀具時。

• 選擇較小的刃口半徑白群。

• 選擇涂層較薄的硬質(zhì)合金牌號尚胞。

• 采用較大的每齒進給量。降低轉(zhuǎn)速并保持工作臺進給速度帜慢，以實現(xiàn)更大的每齒進給量笼裳。發(fā)生振動時，不要減小每齒進給量粱玲。

• 減小軸向和徑向切削深度躬柬。

• 使用穩(wěn)定的銑刀夾緊系統(tǒng)。對于模塊化刀具夾持系統(tǒng)抽减，要采用盡可能大的連接尺寸楔脯。采用錐形刀具夾持方式。

• 將銑刀定位在工件的中心位置胯甩。采用順銑工藝昧廷。

從正常進給和切割速度開始。如果出現(xiàn)振動偎箫，請按以下步驟逐步調(diào)整：

1. 增大進給量姚熊。

2. 提高轉(zhuǎn)速。

3. 降低轉(zhuǎn)速莱检。

4. 減小進給量红最，直至振動消失或至少將振動減至最小程度。

如何降低車削過程中的振動斗赘？

 以下步驟會對車削結(jié)果產(chǎn)生影響拟艳。將它們用作排查振動問題的檢查清單。

• 選擇能實現(xiàn)最大穩(wěn)定性和剛性的基本刀具系統(tǒng)及尺寸。采用盡可能短的懸伸長度來裝夾刀具悦浙。這樣可使刀具產(chǎn)生更高的固有頻率愤栽，并減小撓度，進而更易于避免振動挟七，就算出現(xiàn)振動也更容易抑制它齿喧。

• 仔細挑選刀片的類型、尺寸以及刀尖半徑相贺。選用盡可能小的刀尖半徑轻欣，若有可能，使其小于切削深度肃弟，以此來降低被動切削力玷室。限制切削深度，將刀具撓度降至最低笤受，確保工件的加工公差準確無誤阵苇。當有可能出現(xiàn)振動時，選擇頂角較懈新邸（60°或55°）的刀片绅项，以便在實現(xiàn)輕快切削的同時保證良好的刃口強度。

• 選擇刃口鋒利且切削刃幾何形狀良好的刀片比肄，以實現(xiàn)輕松切削且使刀具撓度較小快耿。需注意，更鋒利的切削刃強度較弱芳绩，需要進行恰當?shù)臄嘈继幚怼?/p>

• 選擇硬質(zhì)合金牌號韌性更好且?guī)缀涡螤罡h利的刀片掀亥，不過這樣會導致切削刃強度降低，有可能過早崩刃或破損妥色。為提高切削刃的可靠性和刀具壽命搪花，要用韌性更好的切削材料來彌補幾何形狀強度不足的問題。

• 精心選擇切削條件锉窑，盡量減小切削深度岛牺。在存在嚴重振動風險的情況下，使用至少大于刀尖半徑25%的進給量袁朗。評估切削速度涮愧，避免在機床穩(wěn)定性較差的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)區(qū)間內(nèi)進行加工。

如何降低鏜削過程中的振動跃渠？

以下步驟會對鏜削結(jié)果產(chǎn)生影響订搏。可將它們用作排查振動問題的檢查清單沛四。

• 檢查懸伸比框辞，如有必要就對刀具進行調(diào)整。能否使用更大直徑的刀具？能否采用錐形刀具類型缤媒？能否選用不同直徑的模塊化刀具類型政拾？

• 采用盡可能好的刀具裝夾方式（如采用山高Capto夾緊方式）。

• 將切削刃置于中心高度位置抬泛。

• 選擇具有正幾何形狀且半徑較小的切削刃。選擇涂層較薄的硬質(zhì)合金牌號焕数。

• 仔細挑選刀片的類型纱昧、尺寸以及刀尖半徑。選用盡可能小的刀尖半徑堡赔，若有可能识脆，使其小于切削深度，以此來降低被動切削力善已。限制切削深度灼捂，將刀具撓度減至最小，確保工件的加工公差準確無誤换团。當有可能出現(xiàn)振動時悉稠，選擇頂角較小（60°或55°）的刀片艘包，以便在實現(xiàn)輕快切削的同時保證良好的刃口強度的猛。

• 選擇刃口鋒利且切削刃幾何形狀良好的刀片，以實現(xiàn)輕松切削且使刀具撓度較小想虎。需注意卦尊，更鋒利的切削刃強度較弱，需要進行恰當?shù)臄嘈继幚怼?/p>

• 選擇硬質(zhì)合金牌號韌性更好且?guī)缀涡螤罡h利的刀片桶悍，不過這樣會導致切削刃強度降低乐跺，有可能過早崩刃或破損。為提高切削刃的可靠性和刀具壽命讼逐，要用韌性更好的切削材料來彌補幾何形狀強度不足的問題症忽。

• 精心選擇切削條件，盡量減小切削深度凸翩。在存在嚴重振動風險的情況下远丸，使用至少大于刀尖半徑25%的進給量。評估切削速度册安，避免在機床穩(wěn)定性較差的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)區(qū)間內(nèi)進行加工喜毅。

（ 山高刀具）

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