楊守帥

摘 要：本文闡述了刀具振動(dòng)的3大原因和由于振動(dòng)導(dǎo)致的4大危害，并分別從減小切削力、增強(qiáng)刀具系統(tǒng)的靜態(tài)剛性、使用消減裝置等方面，詳細(xì)論述了消除或減小振動(dòng)的多項(xiàng)措施。

關(guān)鍵詞：刀具;振動(dòng);切削力

中圖分類(lèi)號(hào)：TG714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）10-0031-04

Abstract： Three reasons of cutter vibration and 4 harms caused by vibration was elaborated in this paper. Several measures for eliminating or reducing vibration were discussed in detail from the aspects of reducing cutting force， enhancing static rigidity of tool system and using eliminating device.

Keywords： cutter;vibration;cutting force

1 刀具振動(dòng)的原因

切削加工過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)主要分為設(shè)備本身的振動(dòng)、加工工況引起的振動(dòng)和刀具切削產(chǎn)生的振動(dòng)。

1.1 設(shè)備本身的振動(dòng)

設(shè)備本身的振動(dòng)即電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和主軸旋轉(zhuǎn)引起的振動(dòng)。設(shè)備本身的振動(dòng)又稱(chēng)為強(qiáng)迫振動(dòng)，與設(shè)備自身的剛度（機(jī)床的結(jié)構(gòu)、地基、絲桿間隙、主軸的優(yōu)劣）、車(chē)間地基的質(zhì)量以及周?chē)h(huán)境有關(guān)（其他重型設(shè)備振動(dòng)的干擾，甚至車(chē)間附近火車(chē)經(jīng)過(guò)的振動(dòng)等）[1]。

1.2 加工工況引起的振動(dòng)

由于零部件的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、整體剛性以及裝夾原因等因素造成加工工況惡劣會(huì)引起振動(dòng)。

①結(jié)構(gòu)類(lèi)型引起的振動(dòng)主要是由于工件整體剛性不足，需要增加工藝支撐，加固切削加工過(guò)程中的工件剛性。

②工裝裝夾位置未能抵消主切削力，需要優(yōu)化夾具夾緊方式或者改變裝夾位置，減小切削振動(dòng)。

1.3 刀具切削產(chǎn)生的振動(dòng)

刀具切削產(chǎn)生的振動(dòng)稱(chēng)為切削振動(dòng)又稱(chēng)為自激振動(dòng)。刀具切削過(guò)程中，由于切削力的變化導(dǎo)致刀具振動(dòng)，振動(dòng)大小與刀柄或刀桿的直徑、長(zhǎng)度和剛性有關(guān)。在長(zhǎng)懸伸刀具的鏜、銑加工和薄壁工件、細(xì)長(zhǎng)軸的加工中，不可避免地存在振動(dòng)。

本文主要探討切削過(guò)程中由于各種切削條件引起的振動(dòng)，分析如下。

①在切削過(guò)程中，刀片由于切深、材料純度以及切屑的形成等因素影響，切削刃處產(chǎn)生的切削力發(fā)生變化產(chǎn)生振動(dòng);斷續(xù)切削（如銑刀等多齒刀具）振動(dòng)比連續(xù)切削（如車(chē)刀、刨刀等）振動(dòng)大。

②切削參數(shù)選用不合理，如切削速度過(guò)高、過(guò)低，切深大于刀尖角或者小于刀尖角，進(jìn)給量的大小等，都將產(chǎn)生振動(dòng)。

③當(dāng)被加工零件的材質(zhì)不均勻，零件不能準(zhǔn)確定位或裝夾，加工余量大或者表面留有黑皮、焊道等，都會(huì)引起切削力突然變大或減小而引起振動(dòng)。

④切削不穩(wěn)定，屑形不合適或排屑受阻，導(dǎo)致振動(dòng)。

⑤刀具的本身設(shè)計(jì)與裝夾結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致振動(dòng)的重要因素，如刀尖的角度和刀尖的圓弧角選擇不當(dāng)、刀桿裝夾剛度低等。

2 振動(dòng)的危害

振動(dòng)的危害主要包括以下4種：

①振動(dòng)會(huì)降低工件加工精度，增大表面粗糙度，使工件表面出現(xiàn)振紋;②振動(dòng)會(huì)加劇刀具的磨損，降低刀具壽命，而長(zhǎng)期振動(dòng)會(huì)加速設(shè)備的老化;③振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲，尤其高頻嘯叫，對(duì)操作工人危害大，其噪音成為公害;④由于種種原因引起強(qiáng)烈振動(dòng)，可使加工無(wú)法進(jìn)行，甚至導(dǎo)致零部件加工報(bào)廢[2]。

3 消除振動(dòng)的措施

3.1 減小切削力

3.1.1 選用鋒利的刀具。刀片按種類(lèi)分為涂層刀片和非涂層刀片。涂層刀片分為PVD（物理涂層）和CVD（化學(xué)涂層）。PVD涂層厚度相比CVD涂層厚度薄，且PVD刀具也更鋒利。非涂層刀具不需要鈍化處理，可刃磨至非常鋒利。所以，在考慮降低切削力時(shí)，可選擇物理涂層或非涂層刀具。

3.1.2 正確的刀尖圓弧。刀尖圓弧半徑越小，切削力越小，切削越輕快。粗加工時(shí)，應(yīng)選擇大的刀尖圓弧半徑，切削力大，耐沖擊。精加工時(shí)，選擇小的刀尖圓弧半徑，切削力小，加工精度高。

3.1.3 切深與刀尖圓弧半徑的關(guān)系。切深一定時(shí)，刀尖圓弧半徑的變化直接影響切削力的變化。設(shè)ap為切深，r為刀尖圓弧半徑，如圖1所示。當(dāng)?shù)都鈭A弧半徑大于切深時(shí)，徑向力最大;刀尖圓弧半徑等于切深時(shí)，徑向力和軸向力相當(dāng);刀尖圓弧半徑小于切深時(shí)，軸向力最大。在車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸類(lèi)、薄壁類(lèi)零件時(shí)最為明顯，增大切深后，振動(dòng)會(huì)減小。

3.1.4 主偏角的影響。在深孔鏜或銑削加工時(shí)，應(yīng)選擇主偏角90°或接近于90°的刀具，因?yàn)榇祟?lèi)刀具軸向切削力最大，同時(shí)徑向切削力最小，促使刀具在切削時(shí)穩(wěn)定。此狀態(tài)切削過(guò)程中振動(dòng)最小，如圖2所示。

3.1.5 刀片的鍥入角和斷屑槽。選用正前角、大后角刀片，此類(lèi)刀片鍥入角最小，切削輕快。此外，針對(duì)材料特性選用合適的斷屑槽型，保證排屑順利。

3.1.6 切削三要素。切削三要素選擇是否合適，是影響切削力大小的重要因素。比如，轉(zhuǎn)速過(guò)高、過(guò)低，切深或進(jìn)給過(guò)大、過(guò)小，直接影響切削力大小。在工況穩(wěn)定情況下，降低轉(zhuǎn)速、減小切深、降低進(jìn)給，可減小切削力。

3.2 增強(qiáng)刀具系統(tǒng)的靜態(tài)剛性

3.2.1 增強(qiáng)刀具的整體靜態(tài)剛性。靜態(tài)剛性與刀具的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)。靜態(tài)剛性K為：

其中：E為刀桿材質(zhì)的彈性系數(shù);I為慣量;L為刀桿懸臂長(zhǎng)度;D為刀桿直徑?？梢?jiàn)，如果提高K（靜態(tài)剛性），應(yīng)減少L（刀桿懸臂長(zhǎng)度）或者增大D（刀桿直徑）。

3.2.2 提高刀具的抗振性。刀具要具有高的抗振性，必須具有高的阻尼系數(shù)、高的抗彎性能、高的扭轉(zhuǎn)剛度。所以，要優(yōu)化、改進(jìn)刀具的阻尼系數(shù)、彈性模量和慣性矩等。比如，對(duì)鋼制刀桿中鑲?cè)敫邚椥阅?shù)的材料，提高刀具的抗振性，如圖3所示。

3.2.3 提高刀具安裝時(shí)的剛性。對(duì)于長(zhǎng)刀桿（深孔鏜刀等），在盡可能加大刀桿直徑和減小懸伸外，改善刀桿的夾持方法也很重要，如圖4所示。

開(kāi)口套（件號(hào)4）和哈呋（件號(hào)5）壓緊方式，夾緊效果較好;而靠螺釘頂緊式（件號(hào)6）刀桿，為點(diǎn)接觸和線接觸，壓強(qiáng)太大，若是硬質(zhì)合金刀桿易斷裂，刀具振動(dòng)時(shí)易相對(duì)晃動(dòng)。

刀桿夾持部分長(zhǎng)度，刀桿直徑與伸出長(zhǎng)度之比即長(zhǎng)徑比為10∶1時(shí)，夾持部分應(yīng)大于等于4倍的刀桿直徑。長(zhǎng)徑比增大，夾持部分也應(yīng)該適當(dāng)增大，如圖5所示。圖5中，[L=10d]，[L1=4d]。

加工中心的刀柄分整體式刀柄和模塊式組合刀柄。從表面上看，模塊式刀柄應(yīng)比整體式刀柄剛性差，但事實(shí)上并不一定。目前，模塊化接口是先進(jìn)的短錐大端面雙定位面系統(tǒng)，即過(guò)定位安裝。實(shí)際上，當(dāng)加工精度很高時(shí)，圓錐面和端面同時(shí)接觸（拉緊后錐面僅產(chǎn)生微量變形）。比如，capto刀柄系統(tǒng)重復(fù)定位精度為±0.002mm，較高的抗彎、抗扭特性使刀柄系統(tǒng)剛性得以保證。傳統(tǒng)的7∶24刀柄系統(tǒng)完全靠錐面定位，刀柄端面和機(jī)床主軸端面是不接觸的。當(dāng)然，刀具部分模塊接口越多，刀桿越長(zhǎng)，產(chǎn)生的撓變?nèi)匀蝗菀桩a(chǎn)生振動(dòng)。

3.2.4 提高工件安裝時(shí)的剛性。這主要是提高工件的彎曲剛性和整體剛性，如細(xì)長(zhǎng)軸的車(chē)削中使用中心架和跟刀架，用長(zhǎng)懸臂刀桿鏜削深孔或薄壁孔時(shí)使用中心架等[3]。

3.3 使用消減裝置

刀具在切削過(guò)程中對(duì)刀具內(nèi)腔或外部設(shè)計(jì)干撓裝置，打亂切削振頻，達(dá)到減小振動(dòng)的目的。

3.3.1 液體摩擦減振器。液體摩擦減振器是一種動(dòng)力減振器，原理是內(nèi)部安裝的輔助質(zhì)量在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生液體摩擦力和慣性力使其減小振動(dòng)，如圖6所示。

3.3.2 沖擊減振器。利用兩物體相互碰撞后動(dòng)能損失的原理，在振動(dòng)體上安裝一個(gè)或多個(gè)起沖擊作用的自由質(zhì)量。當(dāng)?shù)毒哒駝?dòng)時(shí)，引起自由質(zhì)量振動(dòng)，同時(shí)碰撞刀體，干撓振頻，消減能量，減小振動(dòng)，如圖7所示。

3.3.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)。液體摩擦減振和沖擊減振是人為制造外部或內(nèi)部干撓振動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)沖擊減振，首先要使自由質(zhì)量m對(duì)振動(dòng)體M產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)周期沖擊運(yùn)動(dòng)，即在每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，m和M分別碰撞一次。為此通過(guò)試驗(yàn)，選擇合適的間隙[δ]是關(guān)鍵。因?yàn)閇δ]在某些特定范圍內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定周期沖擊運(yùn)動(dòng)，同時(shí)希望m與M都以最大速度運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行碰撞，以獲得有力的碰撞條件，造成最大的能量損失。自由質(zhì)量m越大，碰撞時(shí)消耗的能量越多。因此，在結(jié)構(gòu)允許的條件下，選用盡可能大的質(zhì)量比[μ=m/M]。在卷繞頭套筒加工中，曾選用鉛做沖擊塊，但磨損較快，減振效果時(shí)好時(shí)壞。若采用硬質(zhì)合金，預(yù)期效果較好，但價(jià)格較貴。

①將沖擊塊安裝在振幅最大的位置，可提高減振效果。

②增加自由質(zhì)量可提高減振效果，但可能受到刀桿結(jié)構(gòu)、加工等限制（只能在有限的空間內(nèi)）。

③自由質(zhì)量在振動(dòng)體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，二者在接觸面產(chǎn)生的干摩擦力對(duì)減振效果有一定的影響。

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家們總結(jié)的資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，采用減振刀桿確實(shí)能起到防振效果。鋼制刀桿的懸伸量不能超過(guò)3倍，硬質(zhì)合金刀桿的懸伸量不能超過(guò)5倍，采用減振刀桿可達(dá)到5倍以上。減振刀桿靠增強(qiáng)刀具的動(dòng)態(tài)剛性，可達(dá)12∶1。公司進(jìn)口某品牌刀具特殊減振刀桿（即同時(shí)增強(qiáng)刀具的動(dòng)態(tài)剛性（減振系統(tǒng)）和靜態(tài)剛性（加硬質(zhì)合金套））長(zhǎng)徑比達(dá)14∶1。

4 結(jié)語(yǔ)

刀具切削產(chǎn)生的振動(dòng)與消除是一個(gè)重大的研究課題，沒(méi)有振動(dòng)的穩(wěn)定切削是不存在的，即振動(dòng)不可避免，需抑制振動(dòng)、降低振動(dòng)的危害。降低切削力，提高刀具系統(tǒng)剛性，可以降低振動(dòng)，但有時(shí)會(huì)以降低生產(chǎn)效率為代價(jià)。所以，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，要綜合考慮多種因素，多措并舉，減少振動(dòng)，提高零部件的加工質(zhì)量和效率。

參考文獻(xiàn)：

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