机床切削时的振动研究

卧式车床车削振动主动控制系统设计与实验研究林海波;林君焕;杨国哲【摘要】The general model of vibration was analyzed in this paper while turning. According to the different sources of vibration, their own model of force and vibration-displacement were set up. Aiming at the periodic vibration under the imbalance of machine movement , a method of vibration active control system based on PID-control algorithm and ultra-magnetic actuator was proposed. The testing result indicates that the active vibration control system can reduce the vibration effectively and improve the processing accuracy.%分析了车削加工时振动的一般模型,并根据不同车削振动来源建立了它们各自的振动力与振动位移关系模型.针对机床运动失衡下的周期性振动,提出了一种振动主动控制方法.设计了基于PID控制算法与超磁致执行器的车削振动主动控制系统.通过数字仿真与现场试验,表明所设计的车削振动主动控制系统能有效地降低车削振动,提高车削加工精度.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2011(000)006【总页数】4页(P93-96)【关键词】车削振动模型;PID控制算法;超磁致执行器;主动振动控制【作者】林海波;林君焕;杨国哲【作者单位】台州职业技术学院机电工程学院,浙江台州,318000;台州职业技术学院机电工程学院,浙江台州,318000;沈阳工业大学机械工程学院,辽宁沈阳,110023【正文语种】中文【中图分类】TH16切削加工中由于各种干扰因素的存在，切削振动是无法避免的。

浅论车削过程中的振动与控制在车削过程中产生的振动，不仅干扰了正常的切削过程，严重影响了加工件的表面质量，还会缩短机床及刀具使用寿命。

由此产生的噪音甚至可能影响到操作者工作情绪，对正常工作的开展带来一定负面影响；而为了减少振动，往往不得不减少加工时的进刀量，从而降低了生产率。

本人通过在工作中对这一现象不断观察、分析、实践、总结，取得了一些效果，现提出一些看法供大家探讨。

1、振动的分类一般来讲，在机械加工中产生的振动都具有受迫振动和自激振动，与机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的动态特性有关。

在消除机床回转组件(如电机、工件、旋转轴等)和传动系统(如皮带轮、滚动轴承、液压传动系统的压力脉冲等)的振动后，车削加工中的振动主要是不随车削速度变化的自激振动，主要是车削过程中工件系统的弯曲振动(其频率接近工件的固有频率的低频振动)和车刀的变形产生的弯曲振动(其振动频率接近车刀的固有频率的高频振动)。

2、振动原因分析低频振动的振动频率较低，通常发出的噪音比较低沉，振动较为剧烈，在加工表面留下的振动痕迹深而宽。

在低频振动时通常工件系统和刀架系统都在振动，它们时而趋远，时而趋近，产生大小相等方向相反的作用和反作用力。

在振动过程中，当工件与刀具趋远时，切削力与工件位移方向相同，所做之功为正值，当工件趋近刀具时，切削力与工件位移方向相反，所做之功为负值，在车削过程中，由于各种因素的影响都可能引起切削力周期性的变化，使在每一振动周期中，切削力对工件(或刀具)所做之正功总是大于它对工件(或刀具)所做之负功，从而使工件(或刀具)获得能量补充产生自激振动。

在车削过程中，影响切削力周期性地变化，并使退出时切削力大于切人时切削力的情况有以下几个因素： 2.1切削与刀具相对运动产生的摩擦力。

在加工韧性钢材时径向切削分力开始随切削速度的增加而增大，自某一速度开始，随切削速度的增加而下降。

据切削原理可知，径向切削分力主要取决于切削与刀具相对运动产生的摩擦力，即切削与刀具前刀面的摩擦力。

机械加工自激振动的研究Ξ徐　伟1,雷盛开2(1.广东技术师范学院,广东广州　510655;2.三峡大学职业技术学院,湖北宜昌　447002))摘　要:探讨机械加工中自激振动的产生机理,简述减少自激振动的途径,通过合理选择切削用量,提高工艺系统的抗振性等措施,可取得较好效果。

关键词:机械加工;自激振动;机理;途径中图分类号:TH113.1 文献标识码:A 文章编号:1007-4414(2004)03-0023-02 在机械加工过程中,工艺系统的振动会破坏刀具与工件之间正常的运动轨迹,给机械加工带来较大的危害,具体表现在以下几个方面:①影响加工表面质量,频率低时产生波纹,频率高时产生微观不平度;②降低生产效率,加工中的振动制约了切削用量的提高,严重时甚至使切削不能正常进行;③缩短刀具、机床等的使用寿命;④振动产生的噪声污染了环境。

据统计,机械加工过程中的振动以自激振动为主,约占总数的70%以上。

为了保证零件的加工质量,在机械加工过程中,必须采取相应的工艺措施对自激振动加以控制。

1　产生自激振动的机理[1]切削过程中产生的自激振动是一种频率较高的强烈振动,通常又称为颤振。

对于它的产生机理,虽然从20世纪50年代以来进行了许多研究,但尚无完全成熟的理论,还不能用一种理论来阐明各种状况下的切削(磨削)自激振动。

目前运用较多的主要有再生颤振原理、振型耦合颤振原理两种系统理论。

1.1　再生颤振原理(1)再生颤振现象的产生在稳定的切削过程中,由于偶然的扰动(材料的硬疵点,加工余量不均匀,或其他原因的冲击等),工艺系统会产生1次自由振动,并在加工表面上留下相应的振纹。

当工件转至下1转时,由于切削到重叠部分的振纹使切削厚度发生改变,引起切削力的变化,使系统再一次振动,并在本转加工表面上产生新的振纹,这个振纹又会影响到下一圈的切削,从而造成持续的振动。

这种后续切削中重复再生的振动,形成了再生颤振。

由此可见,再生颤振来源于切削厚度改变所引起的动态切削力,但并非动态切削力存在就一定会导致再生颤振,这还要取决于工艺系统的各种组合条件。

超声波加工机床的振动特性与动态响应分析简介超声波加工机床是一种利用超声波作为能量源进行材料加工的机械装置。

它利用超声波的高频振动，在添加一定的切削液的条件下，对工件表面进行高效加工。

然而，超声波加工机床的运动过程中会产生振动，这些振动对机床的性能和加工质量有着重要影响。

本文将对超声波加工机床的振动特性进行深入分析，并探讨其动态响应。

一、超声波加工机床的振动特性超声波加工机床在工作过程中会发生多种类型的振动，包括弹性振动、旋转振动、冲击振动等。

这些振动特性会直接影响到机床的性能和加工质量。

弹性振动是超声波加工机床最常见的一种振动形式。

它是由于机床结构、工作部件以及切削过程中的力作用等因素引起的。

弹性振动的频率与机床的结构刚度及质量密切相关，刚度越大，频率越高。

旋转振动是由转子的不平衡或不同质量部件之间的摩擦力导致的。

这种振动会引起机床的不稳定性，影响到加工质量。

冲击振动是由机床在微动状态下突然受到冲击作用引起的。

这种振动往往会导致机床的破坏以及加工质量下降。

二、超声波加工机床的动态响应超声波加工机床的动态响应是指机床在外界激励下的运动反应。

了解动态响应对于优化机床结构、提高加工效率至关重要。

机床的动态响应包括振动位移、振动速度和振动加速度等。

通过对这些参数的分析，可以了解机床在加工过程中的运动情况，进一步研究振动对机床性能的影响。

在进行动态响应分析时，常采用有限元方法、频域分析和时域分析等方法。

有限元方法可以模拟机床的振动特性，并通过模态分析预测机床振动频率和振型。

频域分析可以通过傅里叶变换将信号从时域转换为频域，进一步分析机床的频谱特征。

时域分析可以实时监测振动信号，并用于故障诊断和性能评估。

三、改进措施与应用前景针对超声波加工机床的振动特性和动态响应，我们可以采取一系列改进措施来提升机床的性能和加工质量。

首先，可以通过增加机床的刚度来降低弹性振动的幅值和频率。

这包括优化机床的结构设计和选用更高刚度的材料。

切削振动振动相关知识阻尼就是使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用。

阻尼比在土木、机械、航天等领域是结构动力学的一个重要概念，指阻尼系数与临界阻尼系数之比，表达结构体标准化的阻尼大小。

阻尼比是无单位量纲，表示了结构在受激振后振动的衰减形式。

可分为等于1，等于0, 大于1，0~1之间4种，阻尼比=0即不考虑阻尼系统，结构常见的阻尼比都在0~1之间.影响因素：主要针对土木、机械、航天等领域的阻尼比定义来讲解。

阻尼比用于表达结构阻尼的大小，是结构的动力特性之一，是描述结构在振动过程中某种能量耗散的术语，引起结构能量耗散的因素（或称之为影响结构阻尼比的因素）很多，主要有（1）材料阻尼、这是能量耗散的主要原因。

（2）周围介质对振动的阻尼。

（3）节点、支座联接处的阻尼（4）通过支座基础散失一部分能量。

（5）结构的工艺性对振动的阻尼。

模态是机械结构的固有振动属性,结构的动力特性主要取决于它的模态参数,包括各阶固有频率、阻尼系数、振型系数等。

模态分析方法最早应用于航空航天领域,是研究结构动力特性的一种方法,是系统辨别方法在工程振动领域中的应用,最终目的就是为确定结构的动力特性,以得到该结构一系列的振型和对应各个振型的频率,以分析结构系统的振动特性、诊断系统的振动故障以及对系统的动力特性进行设计优化。

车削振动[1]在机械加工中产生的振动，按产生的原因来分类，有自由振动、受迫振动和自激振动，与机床、夹具、刀具和工件组成的工艺系统的动态特性有关。

自由振动是当振动系统的平衡被破坏，由弹性力来维持系统的振动。

是切削力的突然变化或其它外力冲击引起的。

可快速衰减，对车床加工影响非常小，可忽略不计。

受迫振动产生的原因是由系统外部或内部周期变化的激振力(也叫振源)的作用下而产生的振动，共振是受迫振动中的一个特例。

此振动主要由以下几方面原因产生高速回转存在不不衡，例如卡盘和工件、主轴、电动机转子、带轮等。

就是因为零件的不平衡而产生激振力F(也叫离心惯性力)，车床传动存在误差，车床传动当中的齿轮组，由于制造误差、装配误差产生了周期变化的激振力；液压传动中油液脉动、轴承滚动体尺寸差、皮带接缝等因素。

切削过程中的振动频率谱
切削过程中的振动频率谱是一个复杂的现象，涉及到多个因素，如刀具、工件、切削参数等。

以下是一些可能影响振动频率谱的因素：
1.刀具材料和几何形状：不同的刀具材料和几何形状对切削过程中的振动频
率有不同的影响。

例如，高速钢刀具的振动频率通常比硬质合金刀具低。

2.工件材料：工件材料的硬度、强度和韧性等物理特性对切削过程中的振动
频率有重要影响。

例如，较硬的材料会导致更高的振动频率。

3.切削参数：切削速度、进给速度和切削深度等切削参数对切削过程中的振
动频率有显著影响。

例如，提高切削速度可能导致更高的振动频率。

4.机床和夹具：机床和夹具的刚性和稳定性也会影响切削过程中的振动频率。

例如，刚性较差的机床可能会导致较低的振动频率。

5.环境因素：环境因素如温度、湿度和空气压力等也可能对切削过程中的振
动频率产生影响。

车床的震动及预防措施车床是一种常用的机械设备，在金属加工领域具有广泛的应用。

然而，随着车床使用时间的增长，车床的震动问题也逐渐显现出来。

车床震动不仅影响加工质量，还会对设备的寿命和安全性产生负面影响。

本文将探讨车床震动的原因，并提出一些预防措施以减少震动对车床的影响。

一、车床震动的原因1. 设备松动：车床在长时间运作后，可能因为设备紧固件的松动而导致震动。

这些紧固件主要包括螺栓、螺母和联轴器等部件。

当这些部件松动时，会使得整个车床结构不稳定，产生震动现象。

2. 刀具振动：刀具振动是导致车床震动的另一个主要原因。

刀具的不平衡或者刀具与工件之间的不正确匹配可能会导致刀具振动，进而引发整个车床的震动。

此外，刀具的使用寿命过长也会导致刀具振动，从而加剧震动问题。

3. 工件不稳定：当工件在车床上加工时，如果工件自身结构不稳定或者工件装夹不当，也会导致车床震动。

工件的不稳定性会引起切削力的不均匀分布，从而导致车床的震动。

二、车床震动的危害1. 加工质量下降：车床震动会导致工件表面光洁度下降，加工精度降低。

震动也会使得切削刃与工件之间发生相对滑动，造成刀具磨损加剧。

2. 设备寿命缩短：震动会给车床的零部件带来冲击载荷，加速设备的磨损和老化。

长期以来，震动还可能导致设备的损坏，影响车床的使用寿命。

3. 安全隐患：车床的震动可能造成设备的不稳定，使操作员在操作过程中发生意外。

同时，震动还可能导致部分设备脱落或者落下，对操作员造成伤害。

三、车床震动的预防措施1. 设备维护：定期检查和维护车床的紧固件，确保其处于良好的工作状态。

对于已松动的紧固件，应该及时加以修复或更换。

另外，车床的润滑系统也需要定期维护，以保证设备正常工作。

2. 刀具选择和装配：使用平衡性好的刀具，并且严格按照刀具制造商的要求进行装配。

切削刃的使用寿命达到上限后，应及时更换，以减少刀具引起的震动。

3. 工件装夹：工件装夹时，要选择稳定的夹具，并且按照正确的方式进行装夹。

加工深孔时刀具振动现象的分析摘要：机械加工过程甲时常发生刀具振动（振刀）现象，在进行深孔加工时这一现象尤为突出。

分析了探孔加工过程中振刀现象对零件加工的影响，阐述了产生振刀现象的原因，进一步提出降低振刀现象的几种方法和措施。

关键词：深孔加工；振刀；方法前言加工过程中振刀是一种十分有害的现象。

若加工中产生了振刀，刀具与工件间将产生相对位移，会使加工表面产生振痕，严重影响零件的表面质量和性能；工艺系统将持续承受动态交变载荷的作用，刀具极易磨损（甚至崩刃），机床连接特性受到破坏，严重时甚至使切削加工无法继续进行。

为减小振动，有时不得不降低切削用量，使机床加工的生产效率降低。

而深孔加工时刀具更易产生振动，因此，分析深孔加工中的振刀原因并掌握控制振刀的途径是很有必要的。

1 深孔加工中刀具振动的原因以内孔车刀杆的振动分析来看：刀尖切削工件时会产生切削力，这个力使镗刀杆产生弹性变形，当刀尖上的铁屑断掉后，刀杆的弹性变形就恢复。

随着铁屑不断产生再断掉，那么径向切削力随着铁屑的生成和断裂由大到小不断变化，形成正弦波动镗削力F。

此力的大小和方向是一直有规律的变化，如果切削力的变化频率等于或在刀具固有的弹变频率范围之内，镗削振动就产生了。

其实即使刚性很好的刀杆也不能确保切削时刀杆不会产生弹变，实际上刀片在切削时都是颤动的，但是只有弹变足够大时颤动才变为振动[1]。

刀具在切削工件时发生振动需要有以下三个条件同时存在：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；第二是切削时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固有频率相同随即产生共振。

2 深孔加工中振刀产生的影响2.1刀杆振刀。

当加长刀杆长径比接近12：1时，就已经远远超过了一般普通合金钢刀杆的4倍长径比的范围，在深孔加工中，振动几乎成了不可也无法避免的问题，即便是每刀只切0．1mm，也无法阻止振动的发生。

而在加工过程中，我们的操作者经过调试，将最佳切深控制在每刀0．25mm，而且为了消除振刀时可能产生的挖刀（这种挖刀痕如果不加以消除的话会有不断扩大的危险趋势），每加工3，4刀就要在不进刀的情况下反复走刀以消除让刀量和挖刀痕，效率之低可想而知。

机床切削时的振动分析及预防措施摘 要：切削时机床产生的振动对加工过程和工件的加工质量以及机床连接特性都有很大影响，而且还会影响生产效率。

因此，减少机床振动的产生，对控制产品的质量非常关键。

本文对机床切削加工时产生振动的各种原因进行了归纳，分析了机床振动对产品加工质量造成的影响，提出了防止和减小机床振动的各种有力措施。

关键词：机床切削 振动 分析1、振动产生的原因产品切削加工过程中机床所发生的振动是非常复杂的，引起振动的原因是多方面的，经分析，主要有以下几个方面：（1）工件的外形复杂而装夹部位选择不合适：工件外形结构不规则，没有好的基准面，不方便装夹，工件夹不紧，容易在加工时产生松动，随着切削力的变化而发生相应振动。

（2）工件内部组织不均匀：铸造毛坯件局部有气孔、砂眼、疏松等缺陷，晶粒粗大或者夹有杂质等情况。

切削时铸件软硬不均匀，刀具受力不均匀，使得切削力不稳定，易使机床产生震动，有时还会造成打刀，工件的加工质量也很难控制。

（3）刀具选择不合理：刀体材料不合适，刚性差，是引起振动的主要原因之一。

若选错了刀具，有时会使刀具磨损加剧或引起切屑瘤、拉毛工件表面或出现打刀引起振动而影响产品质量。

（4）切削用量和机床转速的选择不合适：① 切削速度1000ωωπn d v =。

切削速度与工件待加工表面直径、工件转速成正比，当ωd 一定时，转速越快，切削速度越快，引起振动的可能性越大； ②进给量f 越大，刀尖受力越大，越容易引起振动：③切削深度p a 切削深度越大，受到的剪应力越大越引起对刀尖的阻力增大而引起振动。

（5）机床自身状况的影响机床本身的精度不够也是振动产生的一个方面。

机床主轴箱内各啮合齿轮、轴承等配合精度低，导轨的磨损，各夹紧装置的不可靠等，在切削中都可能产生振动。

（6）机床周围环境的影响附近有产生振动的大型设备，或有重型车辆在行驶，引起地基振动，并传递到床身．易造成共振。

2、振动对加工质量的影响振动对加工质量的影响是非常大的，主要表现在以下几个方面：（1）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，表面粗糙度值大。

数控机床性能分析与测试实验报告自1999年到现在，我国数控机床制造业飞速发展，同时对数控机床的各项性能提出了越来越高的要求，主要表现在机械精度和刚性，数控系统的高速高精度等。

为了适应这种需求，数控系统的制造商也开发了很多新的高速高精度的功能。

数控机床是工业制造的基础设备，在一定程度上代表了一个国家的工业制造水平。

高精度高效率的数控机床是实现中国制造2025 的关键设备之一。

因此，对数控机床加工过程中发生的振动进行研究就显得非常有必要。

为了更加了解数控机床的性能，我通过以下四个实验对其进行相关的测试。

本文对沈阳第一机床厂生产的数控机床（型号CAK6150D）进行实验，如图1所示，对其性能进行性能分析与测试。

图1. 数控机床实验一: 测试机床不同转速下的振动1.1实验目的和任务1.初步了解和掌握振动测试的原理和方法2. 研究转速对加工过程振动的影响3.对测得的实验数据进行分析，找出影响振动的原因4.提出改进方案1.2 实验仪器、设备和材料1. 数控机床（型号CAK6150D）2. 传感器若干，型号：CYT92003. 示波器，型号:数字示波器SDS1122E1.3实验原理机床振动是综合反映机床设计和制造的水平，成为评价机床技术水平的综合指标之一。

机床的振动分为自激振动和受迫振动。

自激振动是机床自发的一种振动，是一种内部的不衰减周期性振动，也就是说，自激振动的发生与外界无关。

将自激振动分为再生型切削振动、振型耦合型振动、摩擦型振动、滞后型振动。

从他的分类中可以看出自激振动产生的原因可以分为机床本身的原因，刀具原因( 刀具刚度不够，装夹角度不当) 、工件装夹角度不当等。

受迫振动是机床受外界周期性干扰力的作用而产生的振动。

它的产生比较复杂，小部分来自机外，通过地基和底座传递给机床，比如附近有产生振动的大型设备。

大部分振源来自于机床内部，比如回转零部件不平衡，齿轮、轴承的冲击，导轨的磨损等。

也有加工工艺造成的，比如断续切削，加工余量的变化等。