過去50年裡，工具機一直在經歷變革發展，始終追求更好的質量和更大的生產能力。在切削功率、結構靜態剛度、加工精度和生產線自動化等方面都有顯著提高。然而，儘管有諸多提高，新的問題也不斷浮現，比如加工時的破壞性振動問題。
如今，這種振動已經成為工具機製造商和用戶關注的主要問題。這裡有必要對受迫振動和自激振動作出區分，受迫振動是常態，幾乎不會導致大問題，而自激振動，俗稱顫振，是加工時幾個最主要的破壞問題之一。
儘管在預測和消除顫振方面做了很多努力，但是在工業應用上幾乎很少有成功案例。因此，雖然刀具材料不斷改進、工具機經濟高效的設計並使用更多輕量化部件、以及摩擦負面效應的持續減少，但是，顫振問題仍然是追求精度的最大障礙之一。
什麼是顫振
從技術上講，顫振是由非穩態切削導致的自激振動。我們知道，任何切削過程都要求系統具有一定動態剛性，這個系統由工件、刀具和工具機組成。當上述系統的彈性超過所需要的剛性時，切削過程就會失穩，切削過程振動水平增加，最終導致顫振。
， 失穩的不利影響：更差的表面質量，刀具磨損加劇以及工具機某些部件壽命降低。從經濟角度看，顫振導致能耗和物耗增加。而減少這些耗費往往又犧牲了生產時間、切削能力和生產率。
上圖：切削過程產生波動導致的不良效果。
下圖：通過測量頻率響應得到的穩定域分布圖。
本質上，顫振源於再生效應。從靜態觀點看，銑削刀具產生不可預測的波動，由此帶來微小振動，進而引起切削表面不規則變化，進而引發了這種物理現象。後一個刀齒的切深也同樣因這種振動而發生變化，而且前一個刀齒切削後留下的波紋狀表面也會對後一個刀齒的切深產生影響。取決於前後切程的間隙，切深隨加工進程呈指數倍增大。這種情形下，切深的增大使得切削力增加，進而又加劇了振動，使切削失穩。
這是一種由切削過程中的各種因素引發的複雜現象，這些因素包括刀具本身、工件材料、切削參數以及整個系統的動態性，涉及到工具機、刀具和工件結構。在某些情況下，工具機驅動系統的控制參數也會影響切削過程的穩定性。
因此可以說，對於具體的某個工具機、工件和刀具，顫振會因某些狀況而增大，然後在達到平衡狀態。這就是為什麼穩定曲線（即穩態圖）是如此的重要；基於不同的切削狀態來描述過程的穩定性。得到這些狀態並不容易，因為它需要基於FRF來對系統動態剛性作經驗性測量，得到具體的切削力並構建出穩態模型。一方面，這些圖表顯示針對具體加工的最優切削速度，但是另一方面，根據圖表對失穩加工過程作定性分析，則是選擇最佳方式來抑制顫振的關鍵因素。
顫振的類型
之前說過，影響顫振的一個重要因素是加工系統的動態彈性。這意味著系統部件的剛性出現了不足，包括工具機主體結構、主軸、刀具、刀柄、裝夾系統或工件本身，都可能導致自激振動。
由工具機自身結構導致的振動是最具破壞力和最顯著的情形之一。這種情形多發於若干應用領域的粗加工過程，比如加工大型機械部件、用於能源領域的零件、航空和造船業等。這些應用下的主要振動模式體現為主位移和低頻（20-100赫茲）。
過去若干年，各工具機製造商一直在尋找解決這種振動的方案，雖然這不是一件容易的事情。一方面，通過重新設計工具機以追求更高的動態剛性。這需要進行模型分析，找出工具機的最低剛性點和最關鍵點，然後對此進行改進。
然而，工具機製造商們往往只追求如何提高剛性而不考慮阻尼效果。根據具體結構增加被動減振裝置是增加工具機穩定性的最常見方式之一，因為簡單而且成本較低。然而被動減振裝置在很多加工過程中是不可行的，表現為系統動態剛性在加工過程中是變化的。帶滑枕的工具機就是這樣一種情形。
加工時發生的各種顫振
因為具有適應匹配各種變化狀態的能力，主動式激勵裝置便能夠解決這些問題。這些激勵器通過算法控制，能產生對工具機自身結構的反作用力，是一種先進的解決方案。
在這種方案中，通過激勵器產生慣量變動，使之平行於工具機受力流，進而保證了初始結構的剛性。
對於初加工切削，在工具機中引入主動式減振裝置在近些年被若干學者加以研究。然而迄今，研究人員和工具機製造商在試圖在工具機中應用這種裝置時，都面臨著難題，不是因為成本太高就是因為尺寸太大。
閉合的DAS運行循環
DAS：動態主動穩定器 如上述穩定性圖表所示，顫振取決於動態剛性。由於結構出現柔性而產生顫振，剛性會發生變化。然而，儘管剛性有變化，工具機仍然具有相對應的轉速範圍。
近來，人們對採用線軌和靜壓軌的通用工具機作了分析比較。讓這些工具機在整個速度範圍內進行切削加工，當所加工的材料為一般鋼材（200-300 m/min）時，沒有產生問題。然而，當以一定速度（80-150 m/min）切削難加工材料時，比如不鏽鋼或鈦金屬，這兩種導軌型式的工具機就出現了相應的不足。因此，出現顫振的可能性就更大，導致切深下降，對生產率產生限制。
近年來，索拉露斯在尋求顫振解決方案上投入了大量努力，研究的主要成果之一就是：動態主動穩定器（DAS）。攻克迄今所有的困難。DAS系統堅固可靠，有效增加了工具機動態剛性，進而增強了切削能力，特別是在最嚴苛的運行環境下。
採用不同導軌工具機的測試頻率響應與理論穩態的比較，以及應用DAS系統後的提升
各種導軌系統的穩態比較顯示出，在最嚴苛的切削條件下，DAS提升了工具機剛性，得到一種卓越的實用加工狀態。因此，這套系統適用於大切削量粗加工，或者是切削難加工材料而使切深受限的情形。
基於主動控制技術，系統測量工具機現有振動水平，並加以同步補償。因此，工具機本身能適應各個地方可能發生的動態變化。此外，系統完全內置於工具機之中，絲毫不影響工作空間。
測試實驗顯示，使用DAS系統後，生產率提升一倍。
除了DAS系統之外，索拉露斯也開發了其它抑制因加工時剛性不足而產生顫振的解決方案。近年來，索拉露斯為解決客戶使用工具機出現的一些列問題，開發應用了多種解決方案，基於（被動、半主動或主動）減振裝置，特別是抗顫振刀具和切削速度自適應變化系統。
上圖：使用索拉露斯FR落地鏜銑床切削難加工材料，通過應用DAS系統，測量切削率的提升
下圖：應用DAS單元抑制顫振，各種水平的振動與表面質量
顫振產生與危害
在生產實踐中，一般來說工具機的振動是不希望產生的。這是因為振動所產生的噪聲能刺激操作工人引起疲勞，降低工作效率。並且它又能使工具機零件過早出現疲勞破壞，從而使零件的安全程度、可靠性和強度下降，工具機的振動還會導致被加工工件的精度降低，刀具壽命和生產率下降。在工具機上面發生的自激振動類型較多，例如迴轉主軸(或與工件聯繫、或與刀具聯繫)系統的扭轉或者彎曲自激振動；工具機床身、立柱、橫梁等支撐件的彎曲或扭擺自激振動；切屑形成的周期性引起的顫振和整臺工具機的搖晃。此外還有工具機工作檯等移動部件在低速運行時所發生的張弛摩擦自激振動(通稱爬行)等等。通常把金屬切削過程中表現在刀具與工件間強烈的相對振動的這種自激振動稱為「顫振」。切削過程中形成不連續切削的周期與工件、刀架或者工具機的傳動機構中的任一部分振動的固有周期相同，是產生顫振的主要原因之一。
切削顫振由切削過程中所產生的動態周期性力激發而引起，並能維持其振動不衰減。機械加工中的顫振是影響機械產品加工質量和工具機切削效率的關鍵技術問題之一。切削顫振疊加在剝離多餘金屬必須的工作運動如切削、進給及切入運動上，並影響刀具乃至工具機的使用壽命。為減小顫振所帶來的不良影響，加工中被迫臨時改變切削用量，如降低切削深度等。而這卻妨礙充分利用工具機額定功率，導致加工工時，即製造成本上升，延誤工期。顫振問題在投資龐大的現代化數控工具機上尤為值得關注，因為這類工具機的經濟性建立在其時間和功效方面的高度利用上。長期以來，機械製造業中的噪聲汙染相當突出，大大超過國家環保標準。刺耳的噪聲是工件—刀具系統強烈切削顫振的結果，它降低了產品的表面質量，降低了生產效率和刀具、設備壽命，增加了材料和能源消耗。同時會誘髮長期在這種環境下工作的人們的心血管等系統疾病，嚴重危害人們的身心健康。
通用技術
數控應用技術： 數控車 加工中心/數控銑 數控工具機裝調維修 數控程序設計 機器人應用 綜合
車工 銑工 鉗工 電焊工 熱處理 維修電工 普通電工 機械設備維修 衝壓工 鑄造工 磨工 刨工 鏜工 鑽工 電加工設備操作 鈑金工 特種加工
工藝技術：刀具技術 夾具技術 測量技術 輔助技術
行業技術
建設 電力 石油化工 冶金鋼鐵 建材 煤炭 交通運輸 水利水電 輕紡 郵電通訊 科技IT 電子電器/儀器儀表 農林牧漁 金融保險 醫療衛生 社會服務 其他
其他
班組建設 安全生產 其他
曹彥生、溫樹彬、沈梁、何小虎、劉建新、劉振利、嶽景春、李壯斌、申世起、劉琪、楊永修
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來源 | 加工之友
責任編輯 | 吉頁