金属切削理论 切削振动
切削加工振动及其控制技术
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1~3%。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70~120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。
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
2
3
车刀前面与切屑， 后面与加工表面间 的变动摩擦力
此处D为铣刀直径
切削速度
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 30~80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。
刺激振动
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）
金属切削中的振动现象对刀具磨损的影响
金属切削中的振动现象对刀具磨损的影响切削加工是一种常见的金属加工方法，其通过通过刀具对工件进行削除材料的过程。
然而，在金属切削中，振动现象常常会对刀具产生负面影响，导致刀具的磨损加剧。
本文将讨论振动现象对刀具磨损的影响，并探讨可能的解决方案。
首先，振动现象在金属切削过程中可能引起刀具的不均匀磨损。
振动会导致刀具与工件之间的相对运动受到干扰，使得刀具无法均匀地接触工件表面。
当刀具在振动状态下工作时，刀具的切削力和切削温度会发生变化。
这种不均匀的切削力分布将导致刀具表面的磨损不均匀，使刀具的寿命大大缩短。
其次，振动还可能引起刀具的疲劳破裂。
由于振动会导致刀具产生应力集中，这些应力集中区域容易形成裂纹。
随着切削过程的持续，裂纹将逐渐扩展并最终导致刀具的疲劳破裂。
疲劳破裂会导致刀具的可用寿命大大降低，并且对于高强度材料的切削加工来说尤其严重。
另外，振动还会对切削表面质量产生负面影响。
振动导致切削力的不稳定变化，这将导致切削表面产生不规则的纹理和凹凸不平的表面。
对于需要高精度加工的工件来说，这种表面质量的损坏是无法容忍的。
那么，如何减轻振动现象对刀具磨损的影响呢？首先，优化切削条件是减轻振动现象的关键。
合适的切削速度、进给量和切削深度能够减少切削力的变化，从而降低振动的程度。
此外，选择合适的刀具材料和几何形状也能够减轻振动现象对刀具磨损的影响。
采用具有抗振动能力的刀具材料，如硬质合金，以及刀具几何形状设计上的优化，可以显著降低刀具的磨损。
其次，刀具的装夹和刀具路径的设计也是减轻振动现象的重要因素。
正确的刀具装夹能够减少刀具的振动，并提高切削稳定性。
同时，针对工件和刀具的几何形状特点，设计合理的切削路径也能够减轻振动现象的产生。
采用合理的路径能够平衡切削力，降低振动的风险。
最后，使用先进的切削工具和技术也是减轻振动现象的有效手段。
近年来，先进的切削工具如超硬刀具和复合刀具的发展为减轻振动带来了新的解决方案。
切削振动产生原因和解决
细长杆立铣刀铣削深型腔时 常采用插铣方法
插铣就是刀具象钻头一样轴向 进刀，当铣削深的型腔时，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证明此刀 具在插铣时的最大吃刀宽度 PlungeMill是专门用于模具和 航空工业的大直径插铣刀，它 最大的特点是高效率和超大切 宽，通常用于大型深腔模具的 开粗。
切削振动的原因
刀具在切削工件时发生振动需要有下面三 个条件同时存在： 第一是包括刀具在内的工艺系统刚性不足 导致其固有频率低， 第二是切削产生了一个足够大的外激力， 第三是这个外激力的频率与工艺系统的固 有频率相同随即产生共振
分清自激振动和强迫振动
。
刀具振动实际应该叫“切削振动，通常发生在长悬臂刀杆的镗削和铣削，薄 壁件的切削加工，细长杆的车削等等。当环保做为车间考核的标准时，高速 钻削产生的高频啸叫也和振动噪音一起列为技术公害。 切削振动顾名思义只有在刀具进行切削时才产生，如果振动来自非切削因素 如不稳定的机床地基，机床丝杠的间隙，主轴轴承的损坏甚至几百米以外火 车的经过而产生的震动我们叫做强迫振动，这种振动不伴随噪音而非我们讨 论的话题。 切削振动产生噪音，但噪音并不是全由切削振动引起发生，机夹刀片铣刀在 100米以上的切削速度每齿走刀在0.1毫米以上铣削3毫米的切深，即便是铣削 灰口铸铁也会产生接近90分贝的噪音，而低频切削振动噪音常低于此值。 切削振动是自激振动是一种正弦波振动，除了用专业仪器测量振频与波长外 ，最明显的是工件被加工表面有振纹。
薄壁工件的铣削加工
薄壁工件铣削发生振动的原因完全来自于工件，这种工件被叫做箱式或者 碗式零件(box like or bowl like shape workpiece)，由于振动来自于工件本身 ，那么技术人员各显神通，国外在处理这类零件的铣削加工主要以改善工 件夹持为主，例如增加合适的辅助支撑点，在夹具和机床工作台面之间加 装一层木板，用粗大的橡皮条或者弹簧勒在壳体的外面，在箱体内部充满 湿沙子等等，奇思妙想不一而足。在铣削薄腹板时，推荐使用90度面铣刀 以减小对腹板的轴向切削力。
切削振动的三个分类
切削振动的三个分类切削振动是指在切削过程中产生的振动现象。
切削振动对加工质量和加工效率有着重要影响，因此对切削振动进行分类和研究是非常重要的。
根据切削振动的特点和产生原因，可以将切削振动分为三个分类：切削力引起的切削振动、系统固有频率引起的切削振动和切削参数引起的切削振动。
一、切削力引起的切削振动切削过程中，由于切削力的作用，会引起工件和刀具之间的相对振动，从而产生切削振动。
这种切削振动的特点是频率较高，振动幅度较小。
切削力引起的切削振动主要包括两种类型：弦状振动和截面振动。
1. 弦状振动：当切削力作用于刀具时，刀具会发生弯曲变形，产生弦状振动。
弦状振动的频率与切削速度、刀具材料和几何形状有关。
如果切削力过大或切削速度过快，会导致弦状振动的振幅增大，从而降低加工质量。
2. 截面振动：当切削力作用于工件时，工件会发生弯曲变形，产生截面振动。
截面振动的频率与工件的材料、几何形状和切削条件有关。
如果切削力过大或切削速度过快，会导致截面振动的振幅增大，从而影响加工精度和表面质量。
二、系统固有频率引起的切削振动系统固有频率是指切削系统在没有外界刺激下自然振动的频率。
当切削系统的激励频率与系统固有频率接近或相等时，就会引起共振现象，从而产生较大的切削振动。
系统固有频率引起的切削振动主要包括两种类型：共振振动和强迫振动。
1. 共振振动：当切削系统的激励频率与系统固有频率接近或相等时，就会引起共振振动。
共振振动的特点是振幅较大，对加工质量和加工效率有着较大影响。
为了避免共振振动的发生，需要合理选择切削参数，并采取减振措施，如增加刚度或增加阻尼。
2. 强迫振动：当切削系统的激励频率与系统固有频率不完全匹配时，就会引起强迫振动。
强迫振动的特点是振幅较小，但会对加工表面质量产生一定影响。
为了减小强迫振动的影响，需要合理选择切削参数，并采取减振措施，如增加刚度或增加阻尼。
三、切削参数引起的切削振动切削参数是指切削过程中与切削力和振动有关的参数，包括切削速度、进给量和切削深度等。
切削加工以及切削颤振简述
切削加工以及切削颤振简述切削加工作为机械制造行业的传统生产加工工艺，是机械制造的流程中完成零件制作这一中心环节的重要生产技术，文章介绍了切削加工的基本方法，切削加工使用的刀具以及切削过程中产生的切削颤振和相应的控制方法。
标签：切削加工；切削；颤振切削加工是机械加工产品生产过程中必要而又值得信赖的技术手段，这一技术手段为了能够跟上市场需求的不停改变，对切削工具提出了新的要求，而切削刀具日新月异的发展又促使切削加工成为机械产品加工众多环节中备受关注的生产步骤。
在切削加工过程中，也存在着大大小小的问题等待着我们去发现和总结，其中切削颤振就加工生产的主要问题之一，对切削颤振有一个细致的认识，进而采取一定的手段对其实施加工控制，是我们一直探索的科研课题。
1 切削加工概述1.1 切削加工概念在机械产品加工生产过程中，按照产品生产规格、质量、工艺等要求，技术人员需要利用合适的切削工具对选取材料进行切割塑形，这一加工生产程序被称作为切削加工。
1.2 切削加工的要素满足切削加工的要拥有生产的三个重要因素，切屑刀具、切削运动和切削角度。
简单的说，刀具就是进行机械生产加工的重要切割工具；刀具与被切割材料的相对运动，就是切削运动；刀具自身固有、安装以及切割金属时所参照的切割偏角数据，也就是切削角度。
由于刀具是直接接触产品表面的生产工具，产品的表面微观粗糙程度，大小精确程度和外形都主要取决于刀具，所以刀具自身材料的硬度、柔韧度、抗腐蚀能力以及生产加工质量工艺等一系列的问题都会对切削加工机床的生产速度、产品质量、以及机床的使用寿命造成不可忽视的影响，进而影响到机械生产加工行业的技术整体水平，还会涉及到生产厂家的刀具生产信誉和使用刀具造成的经济损失。
切削加工过程中，刀具对产品会产生一定的作用力，根据物体受力原理，会有相应的反作用力的产生，力的相互作用会给刀具带来一定的损耗，造成刀具固有角度的几何参数发生改变，从而对被加工产品产生影响。
金属切削过程中的振动与共振现象分析
金属切削过程中的振动与共振现象分析摘要：金属切削过程中的振动与共振现象对切削效果和加工精度有着重要影响。
本文通过分析金属切削中的振动与共振现象，探讨了造成振动和共振的原因，以及采取的一些控制措施。
通过合理的切削参数选择、工具结构设计和切削工艺优化等措施，可以降低振动和共振现象，提高金属切削加工的质量和效率。
1. 引言金属切削作为现代制造业中常用的一种加工方法，广泛应用于机械、汽车、航空等领域。
然而，在金属切削过程中经常会遇到振动和共振现象，导致切削效果和加工精度下降，甚至带来安全隐患。
因此，研究金属切削中的振动与共振现象是提高切削质量和效率的重要问题。
2. 振动与共振现象的原因2.1 切削力激振金属切削过程中，切削力是主要的激振源。
当切削力在切削过程中频繁变化时，容易引起工件和刀具系统的振动。
切削力的大小和方向都会对振动引起的频率、振幅和相位角等产生影响。
2.2 切削系统的刚度和阻尼切削系统的刚度和阻尼是影响振动和共振现象的重要因素。
刚度过低会导致切削系统产生过大的挠度和变形，从而引起振动和共振。
而刚度过高会导致共振频率过高，难以找到合适的激振频率，也容易引起振动和共振。
阻尼过低则不利于振动的消除，阻尼过高则会降低系统的灵敏度。
3. 振动与共振的影响3.1 切削质量与效率下降金属切削中的振动和共振现象会导致加工表面粗糙度增加、刀具寿命缩短、加工精度降低等问题，从而影响切削质量和工件的功能性能。
同时，振动和共振还会降低切削效率，增加切削成本。
3.2 安全隐患振动和共振现象引起的高频振动会对切削系统和机械结构产生巨大的冲击和振动载荷，不仅会导致设备破坏，还可能造成安全事故。
因此，控制振动和共振现象也是确保切削操作安全的重要措施。
4. 振动与共振的控制策略4.1 合理选择切削参数合理选择切削参数是控制金属切削过程中振动和共振现象的关键。
通过调整进给速度、切削深度和切削速度等参数，可以控制切削力的大小和方向，从而减小振动和共振的产生。
振动切削加工技术
• 振动切削的分类
按振动质量：自激振动切削和强迫振动切削
按刀具振动方向：吃刀抗力方向、进给抗力 方向、主切削方向 按所加频率：高频振动和低频振动
• 普通切削与振动切削的对比
-------普通切削中，切削靠刀具与工具的相对 运动来完成。产生较大切削力，使刀具磨损、 产生切削振动的有害现象。 --------振动切削中，在切削刀具上施加某种有 规律的可控的振动，使切削速度、切削深度 产生周期性的改变，从而使切削力减小、切 削热降低。
• 振动切削的特点
1、切削力大大减小 2、切削温度明显降低 3、切削液的作用得到了充分发挥 4、可提高刀具使用寿命 5、可控制切屑的形状和大小 6、提高加工精度和表面质量 7、可提高已加工表面的耐磨性和耐蚀性
• 振动切削技术的应用
1、难切削材料的加工。如：不锈钢、钛合金、 陶瓷、玻璃等采用超声振动切削来大大降低加 工难度；加工石墨与氧化铝等材料只有采用超 声振动才能产生微粒式的切削分离得到整齐的 加工表面
金刚石刀具可以切削含铁工件
振动切削加工技术
振动加工技术是从20世纪60年代发展起来的 一种优于普通切削的先进的制造技术。
• 它通过在常规的切削刀具上施加高 频振动，使刀具和工件发生间断性 的接触。改变了工件与刀具之间的 时间与空间分配，从而改变了切削 加工机理达到了减小切削力和切削 热并提高加工质量和效率的目的。
2、难加工零件的切削加工
如易弯曲变形的细长杆类零件、薄壁零件、排屑断屑比较困难的切削加工 如用于钻孔、饺孔、攻丝、拉削等
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金属切削原理【详解】
金属切削原理解析本文档由深圳机械展SIMM整理，详细介绍金属切削原理。
金属切削原理并不是一两句话可以精炼概括的，是一个复杂的知识体系，这个知识体系也是机械制造工艺及设备专业的专业基础课，庞丽君写的《金属切削原理》可作为高等院校机械类及有关专业本科、专科的教材，也可供机械类和相近专业的其他类型学校的师生和工程技术人员参考透彻理解金属切削原理需要了解切削运动、加工表面和切削用量三要素，刀具几何角度及其选择，刀具工作角度，切削层参数，切削方式，还包括金属切削过程，切削力，切削热与切削温度，刀具磨损和使用寿命，工件材料的切削加工性，已加工表面质量，刀具合理几何角度和切削用量的选择，磨削，以及刀具材料的分析及选择、车刀的结构分析与应用、孔加工过程分析、刀具的结构分析与应用、拉刀的结构特点与使用、铣削过程分析与铣刀的选择和其他刀具的结构与应用。
以下为一些重要知识的整理：基面：切削刃上任意一点的基面是通过这一点并与这一点的切削速度相垂直的平面。
切削原理：金属切削必须具备两种运动，车削时的切削运动是工件的旋转运动；进给运动，使新的金属不断的投入切削的运动。
也就是使切削过程在所需要的方向继续下去的运动，进给运动可能有一个以上，车削时的进给运动是刀具的连续移动。
1、切削用量的选择原则粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。
具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。
从刀具的耐用度出发，切削用量的选择顺序是：先确定背吃刀量，其次确定进给量，最后确定切削速度。
2、背吃刀量的确定背吃刀量由机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。
确定背吃刀量的原则：（1）在工件表面粗糙度值要求为Ra12.5μm~25μm时，如果数控加工的加工余量小于5mm~6mm,粗加工一次进给就可以达到要求。
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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。
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。 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。
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。
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。 （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ห้องสมุดไป่ตู้控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 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。
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。
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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。 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。
（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。
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
2.2.3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。 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。
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
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。
3 数控车床的切削振动分析与控制方案
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。