加工過(guò)程中的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生諸多負(fù)面影響，其中最重要的影響包括以下幾點(diǎn)：

切削中的自由振動(dòng)

圖2：自由振動(dòng)

當(dāng)一個(gè)初始輸入在機(jī)械系統(tǒng)中引發(fā)振動(dòng)，隨后該系統(tǒng)自由振動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生自由振動(dòng)。這類似于你將兒童秋千往后拉然后再松開(kāi)時(shí)所發(fā)生的情況。接著，該機(jī)械系統(tǒng)會(huì)以其一個(gè)或多個(gè)“固有頻率”進(jìn)行振動(dòng)，然后逐漸衰減至零。

機(jī)械加工中的受迫振動(dòng)

當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)受到時(shí)變干擾（載荷、位移或速度）時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生受迫振動(dòng)。干擾可以是周期性的，也可以是穩(wěn)態(tài)輸入或隨機(jī)輸入。例如不平衡的洗衣機(jī)搖晃或建筑物在地震中振動(dòng)，這些都是受迫振動(dòng)的例子。

圖3：受迫振動(dòng)（f = 頻率，A = 振幅）

系統(tǒng)的頻率響應(yīng)是受迫振動(dòng)最重要的特征之一。在一種稱為共振的現(xiàn)象中，當(dāng)受迫頻率接近輕阻尼系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，振動(dòng)的振幅會(huì)變得極高。系統(tǒng)的固有頻率稱為共振頻率。當(dāng)你推著孩子蕩秋千時(shí)，必須在正確的時(shí)刻用力，才能使秋千越蕩越高。推力只需不斷為系統(tǒng)增加能量。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。

加工中的共振振動(dòng)

機(jī)械加工中的共振可能導(dǎo)致系統(tǒng)性的故障。因此，振動(dòng)分析必須預(yù)測(cè)何時(shí)可能發(fā)生此類共振，并確定預(yù)防措施。增加阻尼可以顯著降低振動(dòng)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。如果系統(tǒng)無(wú)法改變，或許可以改變頻率（例如，改變機(jī)床的速度）。

圖4：共振振動(dòng)

切削金屬的那些力同樣也會(huì)作用于切削刀具。這些力會(huì)使切削刀具變形和彎曲，并可能導(dǎo)致振動(dòng)。

圖5：切削力以及刀具強(qiáng)度不足導(dǎo)致金屬切削過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)。

切削力的動(dòng)態(tài)特性可能會(huì)導(dǎo)致共振振動(dòng)。當(dāng)使用細(xì)長(zhǎng)的切削刀具或工件、切削力過(guò)大、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(shí)，出現(xiàn)這種情況的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)增加。

圖6展示了一個(gè)鋼制刀架（直徑為100毫米，懸伸長(zhǎng)度為500毫米）。

圖 6 在某些情況下，動(dòng)態(tài)切削力會(huì)導(dǎo)致共振振動(dòng) 

在靜態(tài)切削力為500牛的情況下，該刀具會(huì)產(chǎn)生25微米的撓度。如果切削力以142赫茲的正弦模式變化，就會(huì)出現(xiàn)可變撓度，其振幅會(huì)比靜態(tài)撓度大20倍。這將導(dǎo)致共振振動(dòng)。

當(dāng)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(shí)，就會(huì)發(fā)生共振振動(dòng)。切削條件的變化（銑削時(shí)）、強(qiáng)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(dǎo)致這種情況（見(jiàn)圖7）。

機(jī)械師也將共振振動(dòng)稱為顫振。就其本身而言，顫振并非真正的大問(wèn)題，但在某些情況下，顫振會(huì)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(guò)程的質(zhì)量。在這些情況下，就需要抑制顫振，而通過(guò)改變切削條件最容易實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，其次還可以通過(guò)改變刀具的選用來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖 7 材料結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性可能導(dǎo)致振動(dòng) 

在上述示例中，第 1 階段代表一種情況，即材料的不規(guī)則性在切削力中產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)分量。在第 2 階段，工件材料的不規(guī)則性導(dǎo)致切屑厚度變化。這導(dǎo)致了持續(xù)的動(dòng)態(tài)切削力，當(dāng)其頻率接近刀具的特征頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振振動(dòng)。

對(duì)加工過(guò)程中的振動(dòng)及其風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行的任何分析都必須考慮機(jī)床的穩(wěn)定性。機(jī)床無(wú)法提供無(wú)限的穩(wěn)定性，而且一般來(lái)說(shuō)，隨著機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的增加，刀具的穩(wěn)定性會(huì)下降（見(jiàn)圖8）。

圖8 某機(jī)床的穩(wěn)定性葉瓣圖

一般來(lái)說(shuō)，機(jī)床運(yùn)行時(shí)的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)（rpm）越高，產(chǎn)生振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)就越大。然而，在某些特定轉(zhuǎn)速下，穩(wěn)定性會(huì)有所增強(qiáng)。針對(duì)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，這就會(huì)引發(fā)振動(dòng)，從而需要降低機(jī)床轉(zhuǎn)速來(lái)消除振動(dòng)。相反，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，這樣就能使切削條件保持在較高水平。為避免振動(dòng)，尤其是在較高轉(zhuǎn)速加工期間，要謹(jǐn)慎選擇轉(zhuǎn)速。

在普通力學(xué)中，如下圖（圖9）所示的模型可用于確定單邊夾緊圓柱梁（例如，內(nèi)圓車刀刀架、銑刀、鉆頭等）的彎曲度。簡(jiǎn)單通俗地講，彎曲度或撓度越大，有害振動(dòng)（包括共振）的風(fēng)險(xiǎn)就越高，而減少刀具的彎曲度或撓度則會(huì)降低振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

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。

從這個(gè)角度來(lái)看，要降低振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，就必須盡量減少刀具的變形或彎曲。

這可以通過(guò)幾種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)你利用懸伸比來(lái)幫助預(yù)測(cè)振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，要謹(jǐn)慎考慮。對(duì)圖9中的公式進(jìn)一步分析可得出圖10所示的公式，當(dāng)以這種形式呈現(xiàn)并應(yīng)用于兩個(gè)示例時(shí)，該公式很能說(shuō)明問(wèn)題。首先，一把懸伸長(zhǎng)度為200毫米、直徑為50毫米的刀具，其懸伸比為4。其次，另一把長(zhǎng)度為100毫米、直徑為25毫米的刀具，其懸伸比同樣為4。這兩把刀具會(huì)顯示出相同的振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)嗎？將這兩把刀具的相應(yīng)數(shù)值代入圖10的公式中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)第二把刀具的彎曲度是第一把的兩倍，因此其振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)也是第一把的兩倍。

當(dāng)振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)較高時(shí)，刀具的直徑是最為重要的因素。

圖10：彎曲度隨懸伸長(zhǎng)度和直徑變化的函數(shù)關(guān)系。

一些實(shí)用的步驟可以將振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)降至最低或避免振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)用所有這些步驟來(lái)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。

使用更小的刀尖半徑和 / 或更鋒利的切削刃。

減小切削深度并增加進(jìn)給量。

改變切削速度。

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

在銑削應(yīng)用中，對(duì)“采用接近90°的刃口角”這第一條建議要采用不同的運(yùn)用方式。如同車削時(shí)那樣，所產(chǎn)生的切削力將大致與切削刃垂直（見(jiàn)圖12）。當(dāng)你考量裝夾在銑床主軸中的銑刀并評(píng)估其彎曲風(fēng)險(xiǎn)（見(jiàn)圖13）時(shí)，要根據(jù)切削力乘以切削力方向與主軸內(nèi)一個(gè)“參考”點(diǎn)之間的距離來(lái)判定振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。每臺(tái)機(jī)床的主軸都包含一個(gè)固定參考點(diǎn)，主軸能夠圍繞該點(diǎn)擺動(dòng)。

圖11：更好地裝夾切削刀具可降低振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)你將刃口角為 90°的方肩銑刀與刃口角僅有幾度的快進(jìn)給銑刀作比較時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，（圖13）前者切削力的方向與參考點(diǎn)之間的距離更小，因此，在切削力相同的情況下，其振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)也更低。

圖12：銑刀切削力的大小和方向（大致垂直于切削刃）。

圖13 ：力F×距離L）決定了銑削中的振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

如何降低銑削過(guò)程中的振動(dòng)？

為解決銑削中的振動(dòng)問(wèn)題，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。

從正常進(jìn)給和切割速度開(kāi)始。如果出現(xiàn)振動(dòng)，請(qǐng)按以下步驟逐步調(diào)整：

如何降低車削過(guò)程中的振動(dòng)？

 以下步驟會(huì)對(duì)車削結(jié)果產(chǎn)生影響。將它們用作排查振動(dòng)問(wèn)題的檢查清單。

選擇能實(shí)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(zhǎng)度來(lái)裝夾刀具。這樣可使刀具產(chǎn)生更高的固有頻率，并減小撓度，進(jìn)而更易于避免振動(dòng)，就算出現(xiàn)振動(dòng)也更容易抑制它。

仔細(xì)挑選刀片的類型、尺寸以及刀尖半徑。選用盡可能小的刀尖半徑，若有可能，使其小于切削深度，以此來(lái)降低被動(dòng)切削力。限制切削深度，將刀具撓度降至最低，確保工件的加工公差準(zhǔn)確無(wú)誤。當(dāng)有可能出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，選擇頂角較小（60°或55°）的刀片，以便在實(shí)現(xiàn)輕快切削的同時(shí)保證良好的刃口強(qiáng)度。

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

選擇硬質(zhì)合金牌號(hào)韌性更好且?guī)缀涡螤罡h利的刀片，不過(guò)這樣會(huì)導(dǎo)致切削刃強(qiáng)度降低，有可能過(guò)早崩刃或破損。為提高切削刃的可靠性和刀具壽命，要用韌性更好的切削材料來(lái)彌補(bǔ)幾何形狀強(qiáng)度不足的問(wèn)題。

精心選擇切削條件，盡量減小切削深度。在存在嚴(yán)重振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的情況下，使用至少大于刀尖半徑25%的進(jìn)給量。評(píng)估切削速度，避免在機(jī)床穩(wěn)定性較差的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)區(qū)間內(nèi)進(jìn)行加工。

如何降低鏜削過(guò)程中的振動(dòng)？

以下步驟會(huì)對(duì)鏜削結(jié)果產(chǎn)生影響?？蓪⑺鼈冇米髋挪檎駝?dòng)問(wèn)題的檢查清單。