掌握加工颤振：成因、预防与优化

加工颤振几乎存在于所有制造工艺中。重型机床在制造过程中会产生大量振动，导致表面光洁度差和尺寸精度下降。

机加工人员必须在CNC车削、铣削或钻削等不同工序中应对这种不必要的振动。然而，了解加工颤振及其成因，并掌握避免方法，有助于防止停机，这对企业至关重要。

本文将探讨颤振的定义、类型、后果及预防措施。

什么是加工颤振？

加工颤振是指切削或钻削零件时产生的不必要振动。颤振源于工件与刀具之间相对运动的振动失衡。当被加工零件与切削刀具向相反方向移动时，会导致每转切削载荷变化，从而产生振动。

这可能源于不当的可制造性设计或不合理的刀具选择。颤振通常伴随巨大噪音，并在加工零件表面留下可见的波纹。加工颤振主要分为两种形式：

• 共振振动
• 非共振振动

非共振振动是由于在工件上使用磨损不均的刀具引起的。这种振动在整个加工周期中通常保持恒定，由易于检查的机械原因导致。

另一方面，共振振动发生在刀具路径的特定阶段，如加工凹角时。

加工颤振的类型

在CNC加工中，主要会遇到两种类型的颤振：

刀具颤振

通常，CNC铣削刀具在切削操作中会产生振动。它们在开始切削并将振动传递给工件以添加各种特征时，刀具与工件开始相互滑动，导致颤振显著增加。

工件颤振

有时，如果工件在铣床工作台上固定不当，会导致偏移和振动。结果，工件的薄壁在切削过程中开始振动，并将振动传递给切削刀具。

值得注意的是，某些颤振往往不可避免。如果加工过程中产生的振动超过100µm，工件表面可能会出现划痕。但为了保证产品质量，必须采取措施解决刀具和工件颤振。下文将详细介绍如何避免颤振。

加工颤振的后果

如果不加控制，加工颤振会导致多种有害影响，如降低加工效率。主要后果包括：

刀具寿命缩短

切削刀具无法承受颤振产生的冲击振动。这些冲击会使刀具崩刃、钝化，损害切削零件的表面质量。同时，也会缩短刀具寿命和切削效率，而刀具更换成本高昂。

机床寿命缩短

用于各种加工部件的机床由多个部件组成，当发生振动时，这些部件会以相同频率振动。主轴和产生不同运动轴的其他关键部件可能比预期更快磨损。因此，机床颤振使机床部件承受过度应力，若不加控制，会降低加工效率并导致停机。

表面光洁度差

加工颤振影响工件的美观特性，极端情况下会降低其公差。颤振最明显的后果是表面粗糙度差。颤振导致表面出现可见波纹，损害零件的质量和耐用性。

尺寸精度降低

当切削刀具在CNC加工中发生颤振时，会偏离CAM规划的刀具路径。这种偏差会导致零件配合不良，可能出现过紧、过长、过短或过松等尺寸不准确问题。

减少CNC加工颤振的方法

制造企业采用多种方法来最小化加工操作中的颤振，确保工件和切削刀具处于良好状态。以下是减少CNC加工颤振的步骤：

优化加工策略

在常规铣削中，刀具与工件的接触程度随路径变化。铣削刀具在移动过程中会承受过大的力。因此，减少颤振的最佳方法是实现恒定的刀具接触刀具路径。也可以减小切削深度作为替代方案。

此外，应重新考虑主轴配置。例如，如果共振颤振是加工振动的原因，将机床转速增加或减少5%，即可最大程度减少共振振动。值得注意的是，某些CAM软件具备持续变化主轴转速的功能，大多数制造商因其通用性而采用此功能。

采用正确的工件夹持

平衡的机床具有更好的调整性。错误的定位和固定是CNC加工中颤振的主要原因。然而，具有端面和锥面接触的刀柄有助于确保加工过程中的最大刚性，从而在最低转速下不牺牲零件表面质量。

还需检查机用虎钳、真空工作台、卡盘或其他夹持装置是否对工件施加足够压力，使其保持坚固定位。

在考虑使用治具和夹具施加所需夹紧压力时，切勿仅夹持细长薄壁工件的一端。薄壁零件难以吸收冲击。因此，填充材料可增强其整体刚性并减少颤振。顶尖或类似的稳定支架是此类部件的理想选择。

使用合适的切削刀具

使用合适的切削刀具有助于避免加工振动。某些刀具产生的振动比其他刀具大。消除刀具颤振比工件颤振更困难。因此，选择刀具时应考虑以下因素：

• 刀具涂层
• 正确的基体几何形状
• 刀具长径比

如果符合技术规格，机加工人员和工程师通常会使用最大尺寸的机床刀具。刀具越结实，越不易产生颤振。细长刀具容易偏移。因此，应选择直径最大、长度最短的刀具。

然而，结合不同槽形的多种刀具是减少加工颤振最有效的方法。此外，应减少刀具伸出刀柄的长度并将其拧紧。这样做后，机床颤振发生的可能性会降低。

确保刀具刃口锋利，以最小化CNC铣床的切削力。应始终考虑加工环境的稳定性及刀具的及时维护。同样，施加适当且恒定的刀具压力至关重要，以保证切屑负荷均匀。

确定理想的刀具路径

CNC铣削操作分为顺铣和逆铣。如果将切削力方向与夹紧方向一致，可减少弯曲零件的颤振。这通常是需要考虑的关键切削方面。

通常，CNC铣床预装滚珠丝杠，有助于提高CNC机床技术的效率和精度。因此，可采用立式加工中心防止切削过程中的颤振。

机床设置与维护

正如预期，CNC机床应安装在无裂缝、变形或不连续的混凝土地面上。机床的布局在最小化加工过程中发生的颤振方面起着关键作用。

因为弹性、柔软或受损的地面可能增加CNC实体的颤动。因此，应考虑使用地脚螺栓和调整脚，保持CNC机床稳固，从而减少颤振。

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结论

颤振是一种导致生产力大幅下降的加工效应。它影响机床性能、工件质量、切削刀具和机床寿命。从机床安装位置到刀具路径等多种因素都会导致颤振。

但当遇到剧烈振动时，应彻底检查发生情况。确保刀具和工件夹持正确，加工参数配置得当，以高效缓解颤振。

常见问题

什么是加工中的颤振痕迹？

颤振痕迹是指磨削时因砂轮跳动留下的不规则表面缺陷，或车削长工件时因加工振动在车床上形成的规则痕迹。

什么导致加工操作中的颤振？

如果机床磨损过度，切削过程中产生的切削力会显著增加。切削力增加通常会导致切削刚性基材时产生颤振。

旋转设备振动的原因是什么？

旋转设备中颤振或振动最常见的原因包括错位、不平衡、磨损和松动。旋转部件内部重质区域的不平衡会在不平衡重量绕机床轴线旋转时产生振动，从而产生离心力。

如何识别加工中的颤振？

CNC机床颤振通常可听见。因此，经验丰富的机床操作员可通过其独特声音成功识别颤振发生。此外，加工颤振会在工件表面留下可见的波纹痕迹。