刀板加工過程中的振動抑制技術

VIBRATIONSUPPRESSIONTECHNOLOGYDURING BLADEPROCESSING

Zhang Fan

（Jinrun Intelligent Manufacturing Plant，Plate Division，Nanjing Ironamp;Steel Co.，Ltd.Nanjing21oo35，China）

Abstract：Inmodernmanufacturing，theprecisionandeficiencyoftooingdirectlyimpactthefinalqualityof the product.However，during machining，varyingdegreesof vibration oftenoccurdue tochanges incuing forces and the interactionbetweenthetoolandtheworkpiece.Thisnotonlyaffectsmachiningaccuracybutcanalsoleadtoaccelerated tool wear and even damage.Therefore，the research and application of efective vibrationsuppresion technologies are of great significance for improving machining quality and production eficiency.This paper reviews the basic principles of vibrationsuppresion technologies and explores the appication of various vibration control measures.Finally，the effectiveness of these technologies is verified through specific case studies.

Key words： vibration suppression technology; CNC machine tools; blade processing;construction machinery; cutting parameteroptimization

0引言

隨著機械加工技術的發展，對加工精度的要求越來越高。在高速切削條件下，振動成為影響零件表面粗糙度及尺寸精度的主要因素之一。尤其是針對工程機械行業使用的高強度鋼材進行精密加工時，確保加工精度和表面質量至關重要。然而，在實際生產中，由于切削力的變化、機床結構剛性不足等因素導致的振動現象成為影響產品質量的主要障礙之一。因此，研究并應用有效的振動抑制技術對于提高加工效率、延長設備使用壽命具有重要意義。

1振動抑制技術原理

1.1被動式減振方法解析

被動式減振技術是通過物理手段直接作用于振動源或其傳播路徑上的方法，旨在減弱振動效應而不依賴外部輸人信號。這一類方法簡單易行，不需要額外的能源供應，適用于各種不同規模的工業環境。常見的被動式減振措施包括但不限于使用阻尼材料、改變結構的自然頻率以及增加系統的阻尼比等。

阻尼材料是一種特殊類型的材料，它們具有高內摩擦系數的特性，當受到外界激勵時，能夠將機械能轉化為熱能釋放出來，從而達到吸收振動能量的效果。在機械加工領域，阻尼材料可以應用于刀具、工作臺以及其他容易產生振動的部件上。例如，碳纖維增強塑料（CFRP）、橡膠和一些金屬基復合材料等都具有良好的阻尼性能（見圖1）。將這些材料嵌入到容易發生振動的部位，可以有效地吸收振動能量，減少由此引起的加工誤差。

圖1阻尼材料

另外一種常用的技術是在結構中引入阻尼器或阻尼層。阻尼器可以是流體阻尼器、磁流變液阻尼器或者是黏彈性阻尼器等，它們通過改變振動模式，降低系統的共振響應。阻尼層則是指在兩個剛性層之間夾一層黏彈性材料，當結構發生彎曲變形時，中間層會產生剪切應變，進而消耗振動能量

1.2主動式控制策略

與被動式減振相反，主動式控制策略依賴于實時檢測系統狀態，并通過反饋機制作出相應的調整，以抵消或補償引起振動的因素。這種方法通常需要一套完整的閉環控制系統來實現，包括傳感器用于采集數據、控制器用于處理信息并發出指令，以及執行機構用于實施控制動作。

在現代數控機床中，主動式控制技術得到了廣泛的應用。例如，高級的智能控制系統可以通過安裝在機床關鍵位置的加速度傳感器監測切削過程中的振動情況。一旦檢測到異常振動信號，控制系統會立即分析數據，并根據預設算法調整進給速度、主軸轉速等加工參數，以降低振動幅度，從而保證加工質量和效率。

1.3結構設計優化

除了利用材料特性和智能控制系統來抑制振動之外，合理的設計同樣能夠在很大程度上減少振動的發生，這包括對刀具幾何形狀的優化以及增強機床和夾具系統的剛性等方面。在刀具設計上，通過調整前角、后角、刃傾角等幾何參數，可以改變切削力的方向和大小，從而減輕因刀具顫振帶來的不良影響；同時，采用多刃刀具或螺旋形刀具有助于分散切削力，降低單點受力過大引起的振動。而機床和夾具系統的剛性設計也至關重要，應保證整體結構穩固、各部件連接牢固，并通過多點接觸夾緊或專門設計的夾具保持工件在加工過程中的穩定性，從而有效降低振動頻率。

2具體振動控制措施

2.1切削參數優化

合理設置切削參數是避免振動的關鍵步驟。在實際加工過程中，切削參數的選擇直接影響加工質量和效率。通常情況下，通過適當調整進給速度、切削深度以及切削速度等參數，可以有效減輕由切削力波動引發的振動。

1）進給速度（f）。

進給速度（f）是指刀具相對于工件的線速度。在一定范圍內，增加進給速度可以減少每齒切入材料的時間，從而減弱由于切削力變化引起的振動。然而，過高的進給速度會導致表面粗糙度增加，并可能超過機床的最大承受能力。因此，需要根據工件材質、刀具耐用度以及機床性能綜合考慮最佳進給速度。一般推薦值范圍在 0.1～0.6mm/rev 之間。

2）切削深度（a）

切削深度（a）指的是刀具切入工件的深度。減小切削深度可以降低切削力，從而減輕振動。但是，切削深度過小會增加加工時間，降低生產效率。因此，需要找到一個既能保證加工質量又能滿足生產效率要求的平衡點。建議的切削深度范圍通常在0.5～3mm 之間，具體數值需根據實際情況調整。

3）切削速度（v）。

切削速度（ Σ_V ）是指刀具切削刃相對于工件的速度。選擇合適的切削速度對于減少振動至關重要。理論上講，隨著切削速度的提高，切削力會有所下降，但由于溫度升高可能會影響刀具壽命。因此，在選擇切削速度時需要考慮到材料硬度、刀具材料及冷卻條件等因素。對于普通鋼材質，推薦的切削速度范圍大約在 30～150m/min 之間。

2.2工藝系統改進

為了更好地固定工件和刀具，防止因松動而導致的不穩定振動，改進夾緊裝置的設計也顯得尤為重要。采用剛性更強的夾具，確保工件在整個加工周期內的穩定固定，是實現高質量加工不可或缺的一環。

1）夾具設計。

傳統夾具設計容易因微小位移導致工件松動，引發振動，影響加工精度和表面質量。為解決這一問題，現代夾具采用高強度合金鋼或硬質合金材料，并結合液壓或氣壓驅動實現可調節的強力夾緊，確保工件在加工中保持穩定。一些高端夾具還集成振動傳感器，可實時監測工件狀態，發現異常振動時報警或自動停止加工，從而有效防止損壞。

2）刀具夾持。

刀具夾持方式對防止振動至關重要，傳統彈簧夾頭雖使用方便，但在高速切削下易導致刀具松動，引發振動。現代加工中心大多采用液壓或熱脹冷縮夾持方式，通過液壓提供強大夾緊力或利用加熱膨脹、冷卻收縮固定刀柄，既保證高同心度和穩定性，又適合高速加工，確保刀具長時間使用中保持穩定。在選擇夾持方式時，需要綜合考慮夾緊力、同軸度和操作便利性：夾緊力要足夠大以抵抗高速旋轉產生的離心力，同軸度要高以減少偏心引起的徑向跳動，從而提高加工精度，同時還應兼顧快速更換刀具和操作便捷，以提升生產效率。

2.3實施實例分析與效果評估

1）案例背景。

某工程機械制造商在生產刀板過程中遇到了嚴重的振動問題，導致成品率下降，加工時間延長。經過初步調查發現，主要原因是切削參數設置不當以及夾緊系統不夠穩固。

2）解決方案。

調整切削參數：將進給速度從原來的0.3mm/rev 提高到 0.5mm/rev ；將切削深度從 3mm 減小到 1.5mm ；同時根據材料特性將切削速度設定為 80m/min 。

改進夾緊系統：更換為帶有振動監測功能的新型液壓夾具，并采用熱膨脹夾頭固定刀具。

實施上述改進措施后，經測試，工件表面粗糙度明顯改善，由原來的 R_a3.2μm 降至 R_a1.6μm 以下；同時，由于減少了不必要的停機時間，生產效率提高了約 20% 。此外，通過連續監控系統發現，振動頻率和幅度均大幅降低，進一步證實了改進措施的有效性。

綜上所述，通過科學合理設置切削參數和改進夾緊系統，不僅可以有效抑制振動，還能顯著提升加工質量和效率。這對于追求高品質和高效率生產的現代制造業來說，具有重要的現實意義。

3結論

振動抑制技術是提升刀板加工質量不可或缺的一部分。無論是通過物理手段還是智能控制系統，都能在不同程度上減少加工過程中的振動。未來，隨著技術的進步和新材料的應用，更多創新的振動抑制技術將不斷涌現，形成一套完整的振動控制體系，為制造業帶來更大的發展空間，以滿足日益增長的高精度加工需求。

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