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摘 要：在数控机床加工中，金属切割过程中难免会因为工件阻力而引发振动，如何有效的控制和预防振动的发生是提高工件加工质量、精度和效率的主要手段。本文结合工作实践，简单的分析了铣削加工中振动的发生原因和影响因素，旨在为同行日后工作提供参考和借鉴。
关键词：数控机床；铣削；振动
经过多年的工作实践总结得出，高速铣削加工的过程中一旦出现振动，必然会影响到工件表面的精度和工件整体质量，甚至是缩短刀具乃至整个机床的使用寿命、降低机床的使用性能。有研究表明，这种振动的大小会随着切削参数的变化而不断的变动，因此在对铣削加工时振动产生的研究中，首先要做好切削参数与振动关系之间的研究，只有科学的处理好振动问题，才能更好的为企业生产和社会发展做贡献。
1 铣削振动的研究现状
目前，随着工业化生产道路的不断加速，社会对制造业产品的性能要求日益严格，使得各种工件的更换速度不断加快。在这种时代背景下，如何提高制造业产品的性能、质量，缩短产品的生产周期成为制造业发展的关键问题。切削系统作为制造业生产的核心环节，如何保证生产产品的高效、稳定、可靠已成为业界追求的主要目标。众所周知，铣削加工是一个高速发展的环节，它在工件加工中有着诸多的优越性，能满足各种不同工件的加工需要。但是铣削加工本身是一个高速运转和无振动要求加工环节，但是它又是一个复杂、多元的综合性设备，这类设备在运行中必然会因为各种因素而产生振动，这些振动包含共振、受迫振动以及系统内部的再生振动等。因此，要想确保铣削加工工件的质量、精度，就必须要提前做好各种振动因素的预防和控制措施。在目前的銑削加工中，常见的振动控制方法主要采取降低铣削量的方式，这种做法虽然一定程度上保证了机床的稳定性，延长了机床使用寿命，但是很大程度上却造成生产效率的降低，给企业经济效益带来极大的影响。同时，由于铣床在加工中结构和受力复杂多变的原因，这种方法对于一些特殊原因引发的振动仍然是束手无策。尤其在近几年，随着数控机床的应用和机床刀具运转速度的不断加快，系统动态性能引发的振动越来越突出，其各种变量也表现的更加复杂，这也给我国铣削加工产业的发展造成制约。
2 铣削加工振动影响因素分析
经过对数控机床铣削振动所引发的原因进行分析，它的出现主要包含了受迫式振动和自激式振动两种。受迫式振动主要指的是机床在铣削加工当中因为机械传动不平衡、冲击力复杂以及结构构件松弛而引发的一种振动状态，这种振动状态是机床在持续高速运行下发生的综合作用力的表现结果。而自激式振动则是因为机床床体、立柱、衡量等构成元件发生了变化，使得机床刀具在运行中出现了摆动、机床整体摇晃等现象，这种振动一般都表现为颤振。因此，在铣削加工中，振动因素的研究中我们需要结合实际，采用建立参数和有限元法进行分析。
2.1 铣削模型的建立
以铣刀为研究对象的两自由度切削振动系统模型如图1，选取的刀具为N刃直径为D的圆柱铣刀，为简化模型，铣刀螺旋角为零度。其中，机床主轴转速为S（r/min），进给速度为（mm/min），方向为X向进给，轴向切削深度为ap（mm），径向切削深度为ac（倍刀径），X向和Y向的动态位移为？驻x和？驻y。Φj是铣刀第j齿切削时的瞬时转角。其动力学方程为：
， （1）
式中，M、C、K分别为系统的质量、阻尼和刚度矩阵，它们与机床、刀具和工件有关；u（t）为刀具的振动位移，具体表述为{x（t），y（t）}T，F（t）为切削力{Fx，Fy}T。由式（1）可以看出，影响铣削振动的因素包括铣削系统自身的质量、刚度和阻尼和切削力。铣削系统的模态质量、刚度和阻尼这些参量的具体数值笔者在文献[3]通过对系统的试验模态分析已经得到，本文重点对影响铣削力的切削参量进行分析。
2.2 铣削力分析
根据切削力与切削面积成比例的关系，得到作
用在第j个刀齿上的铣削力可表示成：
， （2）
式中，F（t）为铣刀第j齿的径向与切向切削力；tk、rk为对应的切削力系数；hj（t）为径向切削厚度。品牌刀具的切削力系数在切削手册中查得，求解径向切削厚度是获得铣削切削力的关键。
2.3 振动影响因素权重排序的确定
为了确定四个切削参量对铣削振动的影响权重排序，进行了以这四个切削参量为因素的正交试验。正交试验设计是研究多因素多水平的一种实验设计方法，它根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，是一种具备“均匀分散，齐整可比”的特点，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。
2.3.1 铣削振动信号均方根
振动测试系统框中数控机床采用VMC850E铣削加工中心，该机床主轴电机功率为11kW，最高转速8000r/min；选用Lance0120型加速度传感器，性能指标为灵敏度1000mV/g，量程5g，频率范围0.35～6000Hz，分辨率2×10-5g。配备同品牌lc20201型八通道信号调理器，除为传感器提供激励电源外，具有偏置电压调零功能和滤波等功能。选用中泰公司USB-7325型16通道16位A/D卡，该卡具有USB接口直接与计算机相连。采样频率为10kHz，可连续不断采样。采集的信号经A/D转换后以二进制的形式进入计算机。数据经过处理后可以根据具体需要反馈给数控机床的数控系统，以实现对机床振动的闭环控制。
2.3.2 正交试验
根据实验结果可以看出，铣削振动的四个影响因素对振动强弱的影响次序，按由大到小应当是：C（主轴转速）>A（轴向切削深度）>D（进给速度）>B（径向切削深度）。主轴转速对振动影响最大。随着主轴转速的增减，信号均方根同向增减明显；其次是轴向切削深度的影响，即随着轴向切削深度的加大，信号的均方根呈增大趋势；进给速度和径向切削深度对信号的影响较小。
结束语
本文在理论分析的基础上，通过振动试验总结得出在铣床铣削加工的时候，影响振动的主要因素包含了主轴转速、轴向切削深度以及进给速度等几个方面。这些方面的得出为今后铣削振动稳定性的研究提供了理论依据，也让我们日后工作变得更加的顺畅。但是在实际工作中，因为主轴调整变化难度大，极容易在转速控制中发生其他进给量变化，因此选择了采用改变参数的方法来控制切削主轴转速，从而得到预防振动发生的原因。
参考文献
[1]李康举，刘永贤，谢志坤.基于模态分析的VMC850E加工中心改进设计[J].组合机床与自动化加工技术.2011（07）.
[2]李康举，刘永贤，冯保忠.多条件数控铣床切削振动控制[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版）.2011（01）.
[3]李康举，刘永贤.数控铣床切削颤振全反馈控制系统设计[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版）.2009（03）.
关键词：数控机床；铣削；振动
经过多年的工作实践总结得出，高速铣削加工的过程中一旦出现振动，必然会影响到工件表面的精度和工件整体质量，甚至是缩短刀具乃至整个机床的使用寿命、降低机床的使用性能。有研究表明，这种振动的大小会随着切削参数的变化而不断的变动，因此在对铣削加工时振动产生的研究中，首先要做好切削参数与振动关系之间的研究，只有科学的处理好振动问题，才能更好的为企业生产和社会发展做贡献。
1 铣削振动的研究现状
目前，随着工业化生产道路的不断加速，社会对制造业产品的性能要求日益严格，使得各种工件的更换速度不断加快。在这种时代背景下，如何提高制造业产品的性能、质量，缩短产品的生产周期成为制造业发展的关键问题。切削系统作为制造业生产的核心环节，如何保证生产产品的高效、稳定、可靠已成为业界追求的主要目标。众所周知，铣削加工是一个高速发展的环节，它在工件加工中有着诸多的优越性，能满足各种不同工件的加工需要。但是铣削加工本身是一个高速运转和无振动要求加工环节，但是它又是一个复杂、多元的综合性设备，这类设备在运行中必然会因为各种因素而产生振动，这些振动包含共振、受迫振动以及系统内部的再生振动等。因此，要想确保铣削加工工件的质量、精度，就必须要提前做好各种振动因素的预防和控制措施。在目前的銑削加工中，常见的振动控制方法主要采取降低铣削量的方式，这种做法虽然一定程度上保证了机床的稳定性，延长了机床使用寿命，但是很大程度上却造成生产效率的降低，给企业经济效益带来极大的影响。同时，由于铣床在加工中结构和受力复杂多变的原因，这种方法对于一些特殊原因引发的振动仍然是束手无策。尤其在近几年，随着数控机床的应用和机床刀具运转速度的不断加快，系统动态性能引发的振动越来越突出，其各种变量也表现的更加复杂，这也给我国铣削加工产业的发展造成制约。
2 铣削加工振动影响因素分析
经过对数控机床铣削振动所引发的原因进行分析，它的出现主要包含了受迫式振动和自激式振动两种。受迫式振动主要指的是机床在铣削加工当中因为机械传动不平衡、冲击力复杂以及结构构件松弛而引发的一种振动状态，这种振动状态是机床在持续高速运行下发生的综合作用力的表现结果。而自激式振动则是因为机床床体、立柱、衡量等构成元件发生了变化，使得机床刀具在运行中出现了摆动、机床整体摇晃等现象，这种振动一般都表现为颤振。因此，在铣削加工中，振动因素的研究中我们需要结合实际，采用建立参数和有限元法进行分析。
2.1 铣削模型的建立
以铣刀为研究对象的两自由度切削振动系统模型如图1，选取的刀具为N刃直径为D的圆柱铣刀，为简化模型，铣刀螺旋角为零度。其中，机床主轴转速为S（r/min），进给速度为（mm/min），方向为X向进给，轴向切削深度为ap（mm），径向切削深度为ac（倍刀径），X向和Y向的动态位移为？驻x和？驻y。Φj是铣刀第j齿切削时的瞬时转角。其动力学方程为：
， （1）
式中，M、C、K分别为系统的质量、阻尼和刚度矩阵，它们与机床、刀具和工件有关；u（t）为刀具的振动位移，具体表述为{x（t），y（t）}T，F（t）为切削力{Fx，Fy}T。由式（1）可以看出，影响铣削振动的因素包括铣削系统自身的质量、刚度和阻尼和切削力。铣削系统的模态质量、刚度和阻尼这些参量的具体数值笔者在文献[3]通过对系统的试验模态分析已经得到，本文重点对影响铣削力的切削参量进行分析。
2.2 铣削力分析
根据切削力与切削面积成比例的关系，得到作
用在第j个刀齿上的铣削力可表示成：
， （2）
式中，F（t）为铣刀第j齿的径向与切向切削力；tk、rk为对应的切削力系数；hj（t）为径向切削厚度。品牌刀具的切削力系数在切削手册中查得，求解径向切削厚度是获得铣削切削力的关键。
2.3 振动影响因素权重排序的确定
为了确定四个切削参量对铣削振动的影响权重排序，进行了以这四个切削参量为因素的正交试验。正交试验设计是研究多因素多水平的一种实验设计方法，它根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，是一种具备“均匀分散，齐整可比”的特点，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。
2.3.1 铣削振动信号均方根
振动测试系统框中数控机床采用VMC850E铣削加工中心，该机床主轴电机功率为11kW，最高转速8000r/min；选用Lance0120型加速度传感器，性能指标为灵敏度1000mV/g，量程5g，频率范围0.35～6000Hz，分辨率2×10-5g。配备同品牌lc20201型八通道信号调理器，除为传感器提供激励电源外，具有偏置电压调零功能和滤波等功能。选用中泰公司USB-7325型16通道16位A/D卡，该卡具有USB接口直接与计算机相连。采样频率为10kHz，可连续不断采样。采集的信号经A/D转换后以二进制的形式进入计算机。数据经过处理后可以根据具体需要反馈给数控机床的数控系统，以实现对机床振动的闭环控制。
2.3.2 正交试验
根据实验结果可以看出，铣削振动的四个影响因素对振动强弱的影响次序，按由大到小应当是：C（主轴转速）>A（轴向切削深度）>D（进给速度）>B（径向切削深度）。主轴转速对振动影响最大。随着主轴转速的增减，信号均方根同向增减明显；其次是轴向切削深度的影响，即随着轴向切削深度的加大，信号的均方根呈增大趋势；进给速度和径向切削深度对信号的影响较小。
结束语
本文在理论分析的基础上，通过振动试验总结得出在铣床铣削加工的时候，影响振动的主要因素包含了主轴转速、轴向切削深度以及进给速度等几个方面。这些方面的得出为今后铣削振动稳定性的研究提供了理论依据，也让我们日后工作变得更加的顺畅。但是在实际工作中，因为主轴调整变化难度大，极容易在转速控制中发生其他进给量变化，因此选择了采用改变参数的方法来控制切削主轴转速，从而得到预防振动发生的原因。
参考文献
[1]李康举，刘永贤，谢志坤.基于模态分析的VMC850E加工中心改进设计[J].组合机床与自动化加工技术.2011（07）.
[2]李康举，刘永贤，冯保忠.多条件数控铣床切削振动控制[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版）.2011（01）.
[3]李康举，刘永贤.数控铣床切削颤振全反馈控制系统设计[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版）.2009（03）.