机床颤振的基本理论深度剖析

在机械加工过程中，工艺系统有时会发生振动，即在刀具切削刃和工件上正在被切削的表面之间，除了名义上的切削运动以外，还会叠加上一种周期性的相对运动。切削振动会导致一系列不良的影响，有时甚至会带来相当严重的后果。首先，刀具和工件之间的相对运动会使被加工工件的表面质量恶化，影响工件的使用性能并缩短其寿命。其次，出现振动时，实际的瞬时切削厚度将在设定的名义切削厚度附近波动。振动严重时，切削刃有时会跳离工件，切削厚度降至零，而有时切削刃又会深深地扎入工件，其瞬时切削厚度可以比名义值大好几倍。振动还使得刀具的实际前角和后角周期性地变化。这些因素将产生一个周期交变的动态切削力，其幅值甚至可能比没有振动时的静态切削力还要大。这种交变的动态切削力会促使刀具切削部分疲劳，引起崩刃、打刀，并且使机床和夹具的有关部位加速磨损、松动、丧失精度。此外，强烈振动还会产生很大的噪声，污染环境，危害操作者的健康。振动往往成为机械加工中限制生产率提高的主要障碍之一。

近年来，随着机械工业的发展，使机械加工振动的控制问题变得更为尖锐和迫切。一方面，由于精密加工和超精密加工技术的发展，加工精度要求达到亚微米级，甚至纳米级，而切削加工中哪怕是极其微小的振动也会使加工出的零件尺寸或表面质量变差，甚至成为废品。另一方面，陶瓷、金刚石和CBN等新型的刀具材料在机械加工中日益获得广泛的应用，这些材料一般硬度高、耐热性好，能进行高速切削，可提高生产效率。可是，它们往往比较脆，易于崩刃，对振动特别敏感。因此，在使用这类刀具材料时，必须严格控制振动。与此同时，由于金属切削和磨削向高速和强力方向发展，使得出现振动的可能性增加；日益得到广泛应用的钛合金等难加工材料在机械加工中易于激起振动；此外，机械结构和机械零件向轻型化、薄壁型发展，也使得切削加工中易于发生振动。因此，有必要认真研究机械加工中发生振动的原因及其防治方法，以便能严格控制振动。

金属切削过程中的振动并非只能为害，如应用得法，也可变害为利，取得意想不到的效果与效益。近年来这方面的研究颇多，如以振动切削加工难切削材料；将切削振动所引起的零件表面的振纹作为精密配合表面的贮油空间，以减缓零件的磨损；又如，以振动切削加工金属纤维，以满足复合材料的制造需要等。为实现这些目的，也需要对切削加工中的振动进行严格控制。(www.xing528.com)

金属切削过程中发生的振动可分为强迫振动与自激振动两大类。强迫振动是机床内部的周期振源或由外界传入的振动所激起的一种振动。

随着自动化机械加工系统、柔性制造技术、集成制造技术以及网络制造技术的发展，对机床颤振进行在线监控和实时控制提出了要求，同时又为实现这一目标提供了新的可能性。机床颤振的在线监控成为目前机床振动研究的一个最具活力的发展方向。此项研究把监视、分析、预报和控制联系成一个有机的整体，把传统的离线测试、建模改为在线监视，又把在线监视推进到实时控制。这一研究路线与方向有助于使传统的机床颤振理论和知识更好地为工业生产服务，从而使之增添新的活力。