# 機械製造期末報告
###### 0611025 郭庭均

## 金屬切削加工(metal machining)

金屬製品的的製造過程大致分為兩類，第一類是作為成型製造的鑄造、鍛造、焊接等等，而另一種則是加工製造，包含切削、磨削等。而金屬切削加工至今仍是最為基礎且重要的基本工藝之一。

金屬切削的種類繁多，有車削(Turning)、鉋切（Planing）、銑切（Milling）、鑽孔（Drilling）等等，其中切削理論的顧名思義就是將工件中多餘的金屬屑片(Chips)切除，使工件成為適當的尺寸與形狀。其中，切削工具的性能可以直接影響到切削加工的品質與生產效率。

## 切削顫振(chatter)的產生

切銷顫振的產生即是源於刀具的震動而引起的加工不穩定現象，會使得工件表面留下顫振的刀痕。如果刀具再次經過這些顫振刀痕，就會由於工件的不平整引起更大的震動，導致刀具造成更深的刀痕，惡性循環。如果工件的表面的粗糙度較大，可能會加速刀具磨耗，最終可能導致工件或刀具的損壞。
>▲ 顫振([參考連結](https://www.researchgate.net/figure/Chatter-marks-on-a-workpiece-made-by-an-unstable-boring-operation_fig1_304988609))

## 顫振的種類
1. **自由顫振**
物體在外力停止以後按照自身頻率持續震動，因阻尼的存在而振幅縮減停止。又稱為為負阻尼效應顫振(Negative damping effect chatter)。
2. **強制顫振**
受到外力而引起的震動。通常會出現在斷續切削的過程，或者是工具機有瑕疵，常見的如軸承的損壞而造成的異音之外，零件不平衡、主軸擺幅過大、齒輪契合不佳等等都有可能是強制顫振的緣故。除了斷續切削是因為加工導致顫振之外，其餘都是因為於工具機裝配和機台結構品質不佳。
3. **自激顫振**
切削加工具有週期性的工作，工件凹凸不平整的特性造成週期相位的錯開，反覆重疊的再生效果所產生的影響一般又可稱之為「共振」 (Resonance)。其主因來自於工具機結構的自然頻率受到激發或者是工件夾持系統的自頻率過低而受到激發所引起。
由於結構的自然頻率只隨夾持或固定方式的改變而有影響，因此振刀發生時，改變切削條件(如改變轉速)往往可以改善切削振動，然而在某些無法改變切削速度的場合(如攻牙或某些材質的切削)，往往只有改變夾持方式，甚至於改變刀具或固定方式才能解決這種問題。
自激顫振又分為再生振顫以及模態耦合顫振。
- 再生顫振(Regenerative chatter)
再生顫振是由於上一次切削所形成的振紋與本次切削的振動位移之間的相位差異導致刀具切削厚度的不同而引起的顫振。
- 模態耦合顫振(Mode coupling chatter)
某些時候，在不具備再生顫振條件的切削狀態下，例如切削螺紋時，後一轉的切削表面與前一轉的切削表面完全沒有重疊，但也經常發生振顫的狀況。由於這時刀尖與工作面的相對軌跡是一個近似橢圓，顫振同時產生在兩個方向。因此人們歸納出其中一種顫振的方式是當振動系統在兩個方向上的剛度相接近時，兩個固有振型相耦合導致顫振。
## 影響顫振的因子
因此可以從上面歸納出影響顫振的相關參數有
- 主軸轉速
- Tobias等人[1]針對工具機提出顫振穩定耳垂圖(Chatter stability lobes)，提出了工具機的穩定性與切削轉速與穩定性有著密切的關係。
- 圖中，橫坐標為切削轉速，縱座標為切削深度，表示工具機切削的臨界穩定曲線。隨後，Smith 與 Tlusty[2]分析並證明了在高速銑削時，穩定耳垂圖顯得更加重要，因為在高速銑削時存在較寬闊的高穩定切削區。
- 切削的速度公式為
$$V=\pi d N / 1000$$
其中，$V$是切削速度(m/min)，$N$是主軸轉速(rpm)，$D$是刀具直徑(mm)。
- 進給量
- 進給量的多寡會影響刀具所需要克服的摩擦力大小，是影響顫振的一大因素。
- 知道主軸的轉速後，進而可以得知刀具的進給量(mm/min)，銑刀的進給量為相對轉軸工件之進給速度，可由 $F=fzN$求出銑刀的進給量，$z$為刃數，$f$為每一刀的進給量。
- 切削深度
- 切削的深度影響加工的精度，切削越寬摩擦越大，導致切削不精準，也容易導致振顫。
- 切削的深度可以由刀具的參數得知，例如高速鋼刀具參數有提及「切削深度為直徑的 0.67 倍」，可以得知其切削深度。
- 刀具角度
- 如同上面提到的模太耦合顫振，如果震動系統在兩個方向鋼度接近時，兩個固有振型的耦合會導致顫振的發生。所以刀具如何使得加工的振顫不會互相耦合也是一大要點。

## 抑制顫振的技術
影響顫振的因素有許多種，其中影響最劇烈的即是主軸的轉速。
如果能有效的改變主軸轉速進行變速切削，對顫振的抑制效果也會十分顯著。

### 顫振的預防
2010年時，Tsai, Nan-Chyuan在[3]中有提到，使用聲學切割信號的反饋來預防顫振，提出了聲學顫振信號指數（ACSI）和主軸速度補償策略（SSCS）來量化聲學信號並分別主動調整主軸速度。同一年時N. J. M. van Dijk[4]也提出了兩種控制策略，通過自動適應主軸速度和進給來保證無顫振高速銑削操作，其提出的策略對於不斷變化的工藝條件（例如由於主軸發熱或刀具磨損）是穩定的。文內提到的控制策略的一個重要部分是抖動檢測。提出了一種新穎的顫振檢測演算法，該算法以在線方式(online fashion)和過早階段自動檢測顫振，從而在工件上不存在可見標記。

### 顫振的預測
早在1999年時，Balkrishna C Rao[5]提出了三維或斜車削操作的動態切削力過程模型，為了獲得動態力預測，機械力模型與工具-工件振動模型相關聯，特別注重在模型中包含徑向和軸向振動之間的交叉耦合。實驗結果證實了模型對不同精加工情況的不穩定-穩定顫振預測，也證實了對各種粗車削情況的顫振預測的準確性。
在2020年，ZHU, Lida提出隨著智能製造（IM）的發展，已經對顫振的研究提出了一些新的要求，在實驗中也提及對顫振進行系統回顧至關重要，重點是再生顫振和模式耦合顫振，更提出了四個未來的研究方向：
1. 將顫振預測、檢測和抑制單元集成到智能機床或智能主軸
2. 高采樣率的高速實時無線傳輸
3. 先進的實時數據處理和決策方法
4. 涉及復雜表面薄壁零件的綜合顫振監測系統。

### 顫振的偵測
於2008年，E. Kuljanic[7]就提出了多種偵測顫振的方法，實驗中利用多種傳感器(旋轉測功機、加速度計、聲發射和電功率傳感器)做了組合與比較，並將信號於時域與頻域中進行比較，以確保哪些對於顫振較為敏感。實驗中證明，在單傳感器系統中，切削扭矩信號被證明是用於顫振識別的優良信號。由三個或四個傳感器組成的多傳感器系統是可靠和穩健的顫振識別最有前途的解決方案，由軸向力傳感器和加速度計組成的多傳感器系統獲得了最好的結果。
2018時，Changfu Liu[8]提出一種基於變分模式分解 (VMD) 和能量熵來檢測銑削顫振的新方法。當銑削過程中發生顫振時，能量將被吸收到顫振頻段。為了自動檢測顫振頻帶，提出了一種基於能量熵的顫振檢測方法。

### 顫振的抑制
2000年時，TARNG, Y. S.[9]提出了將壓電慣性致動器安裝在切削刀具上，作為調諧減振器，抑制車削操作中的顫振。實驗結果顯示調諧減振器可以修改刀具的頻率響應函數，從而提高車削操作中的切削穩定性。由於切削穩定性的增加，因此可以有效地抑制顫振。
而2016年，MUNOA, J.[10]提出了對過去不同的顫振抑制技術進行了批判性回顧。編制了具有設計和控制方法的工藝解決方案，以提供穩定切割工藝的可用方法的完整視圖。 描述了每種技術的演變，指出了研究和相應的工業應用中最重要的里程碑。考慮到加工過程的各個方面，還討論了為每個特定顫振問題選擇最合適的技術。
2020年，ShaokeWan[11]開發了一種與電磁致動器和滑模控制集成的主軸系統，用於主動抑制顫振。並且設計了一種主動滑模控制器，其中引入了動態輸出反饋滑動面。執行模擬的結果表示，在較寬的主軸轉速範圍內，無顫振域(chatter-free domain)得到顯著改善，並且於設計的集成電磁執行器的主軸系統上進行了銑削實驗，所提出的方法和系統可以很好地抑制銑削顫振，具有穩健性和實用性的優點。

## 參考資料
[1] Tobias, S.A. and Fishwick, W., “Theory of Regenerative Machine Tool Chatter,” Engineering, Vol.205, 1958

[2] Smith, S. and Tlusty, J., “Update on High Speed Milling Dynamics,” ASME Journal of Engineering for Industry,
Vol.112,pp.142-149, 1990.

[3] Tsai, Nan-Chyuan & Chen, D-C & Lee, R-M. (2010). Chatter prevention and improved finish of workpiece for a milling process. Proceedings of The Institution of Mechanical Engineers Part B-journal of Engineering Manufacture - PROC INST MECH ENG B-J ENG MA. 224. 579-588. 10.1243/09544054JEM1601.

[4] van Dijk, N. J. M., Doppenberg, E. J. J., Faassen, R. P. H., van de Wouw, N., Oosterling, J. A. J., and Nijmeijer, H. (April 21, 2010). "Automatic In-Process Chatter Avoidance in the High-Speed Milling Process." ASME. J. Dyn. Sys., Meas., Control. May 2010; 132(3): 031006.https://doi.org/10.1115/1.4000821

[5]Balkrishna C Rao, Yung C Shin,A comprehensive dynamic cutting force model for chatter prediction in turning,International Journal of Machine Tools and Manufacture,Volume 39, Issue 10,1999,Pages 1631-1654,ISSN 0890-6955,https://doi.org/10.1016/S0890-6955(99)00007-3.

[6]ZHU, Lida; LIU, Changfu. Recent progress of chatter prediction, detection and suppression in milling. Mechanical Systems and Signal Processing, 2020, 143: 106840.

[7]E. Kuljanic, M. Sortino, G. Totis,Multisensor approaches for chatter detection in milling,Journal of Sound and Vibration,Volume 312, Issues 4–5,2008,Pages 672-693,ISSN 0022-460X,https://doi.org/10.1016/j.jsv.2007.11.006.

[8] Changfu Liu, Lida Zhu, Chenbing Ni,Chatter detection in milling process based on VMD and energy entropy,Mechanical Systems and Signal Processing,Volume 105,2018,Pages 169-182,ISSN 0888-3270,https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2017.11.046.

[9]TARNG, Y. S.; KAO, J. Y.; LEE, E. C. Chatter suppression in turning operations with a tuned vibration absorber. Journal of materials processing technology, 2000, 105.1-2: 55-60.

[10]MUNOA, J., et al. Chatter suppression techniques in metal cutting. CIRP Annals, 2016, 65.2: 785-808.

[11]WAN, Shaoke, et al. Active chatter suppression for milling process with sliding mode control and electromagnetic actuator. Mechanical Systems and Signal Processing, 2020, 136: 106528.