周 青

（江蘇省常州技師學院，江蘇 常州 213000）

引言

隨著數(shù)控技術的發(fā)展，數(shù)控機床在高效、高精度、智能化方面有了長足的進步。但在機械加工過程中，由于刀具與工件之間產(chǎn)生周期性往復運動，數(shù)控機床系統(tǒng)的振動不可避免。在加工過程中，通過合理地使用夾具、刀具和程序等因素，能夠避免振動的擴大。如果操作不當，振動會導致振刀現(xiàn)象的發(fā)生。振刀現(xiàn)象會影響工件的幾何形狀和尺寸精度，在工件表面形成振紋（見圖1、圖2），影響工件的表面質(zhì)量，同時會損壞切削刀具，造成噪聲污染。因此，針對數(shù)控加工過程中振刀現(xiàn)象產(chǎn)生原因進行分析，并提出相應的處理措施，為后續(xù)教學過程中解決振刀問題提供參考。

圖1 銑削加工正常工件與振刀工件對比圖

圖2 車削加工產(chǎn)生的振紋

1 數(shù)控機床產(chǎn)生振刀問題的原因

一般來說，機床加工中振刀問題，是由于“機床-夾具-工件-刀具”組成工藝系統(tǒng)的剛度不足導致[1]。從機床、夾具、工件、刀具等方面分析機床產(chǎn)生振刀現(xiàn)象的原因如下：

1.1 機床在加工過程中產(chǎn)生共振

共振是一種常見的物理現(xiàn)象。機床在工作中，受到周期性驅(qū)動力的頻率與其自身的自激振動頻率相同時，將會發(fā)生共振現(xiàn)象。發(fā)生共振現(xiàn)象導致振動幅度加大，因此對機床的加工質(zhì)量有很大的影響。共振造成的振幅過大會改變刀具和工件的正常運動軌跡，引起二者之間相對位置發(fā)生偏移。這樣不僅降低了加工表面的質(zhì)量和尺寸精度，還增加了工件表面粗糙程度，甚至出現(xiàn)振紋。

1.2 機床導軌部件“爬行”現(xiàn)象

機床運行部件在出現(xiàn)低速運動或者小量位移時，做非勻速運動，這一類在進給運動和調(diào)整運動中出現(xiàn)時快時慢的現(xiàn)象，就是我們通常說的機床爬行。機床上的機械系統(tǒng)產(chǎn)生爬行的根本原因是摩擦阻力的變化。在實際機床運行中，運行的速度低于某一數(shù)值即臨界速度時會產(chǎn)生爬行。此時加工的工件表面會發(fā)生震顫，產(chǎn)生振紋[2]。

1.3 工件剛性差

機械加工過程中，對細長軸型的外圓車削加工，工件在轉(zhuǎn)動過程中，會產(chǎn)生彎曲變形，從而產(chǎn)生擺動，這樣極易出現(xiàn)打刀、振刀等問題。同時，薄壁零件的外圓車削時，容易發(fā)生裝夾變形，也易出現(xiàn)打刀或者振刀問題。在車削加工不規(guī)則零件過程中，驅(qū)動力往往都不是作用在工件的重心，因而在高速切削條件下，會引起主軸的撓曲變形，從而引起機床的振動和振刀現(xiàn)象。

1.4 刀具安裝剛性差

如刀桿尺寸太小或伸出過長，會引起刀桿顫動。數(shù)控車床車刀墊鐵不平整，或鎖緊螺釘沒有按要求壓緊，同樣會導致刀具的振動。

1.5 切削力變化大

加工過程中，切削層金屬內(nèi)部出現(xiàn)夾雜、晶粒粗大等缺陷，或加工焊件等；積屑瘤的產(chǎn)生和消失時刻改變切削過程中刀具前角及切削層橫截面積；加工表面不規(guī)則時，切屑時寬時窄時厚時薄寬而薄。這些都會引起切削力的急劇變化從而引起機床振動以及振刀現(xiàn)象。

2 數(shù)控機床產(chǎn)生振刀問題的解決措施

2.1 消減機床共振的措施

數(shù)控機床的靜剛度和動剛度取決于機床制造商的設計和制造工藝，一臺安裝好的機床其固有頻率是固定的。為了盡量預防機床加工中的共振問題，加工過程中必須合理安排加工系統(tǒng)的切削參數(shù)，使其能夠有效避開系統(tǒng)的固有頻率而不發(fā)生共振。如圖3 所示，銑削如圖3 所示型腔時，A 點時刀具接觸角僅為15%，采用3 000 r/min 轉(zhuǎn)速加工，此轉(zhuǎn)速工作到B 點時，B 點刀具接觸角增大到40%，此時會產(chǎn)生劇烈振動，所以在B 點機床轉(zhuǎn)速需要降至2 000 r/min，同樣，以此轉(zhuǎn)速工作到C 點時，又發(fā)生了較強烈的振動，因為此時C 點刀具接觸角增大到了50%，因此在C 點宜采用1 000 r/min 進行加工。倘若采用1 000 r/min的轉(zhuǎn)速持續(xù)工作，則不會存在B、C 這種共振點，但會降低生產(chǎn)效率[3-4]。

圖3 不同位置的刀具接觸角和轉(zhuǎn)速

在加工復雜外形或型腔的工件，需要使用軟件進行動態(tài)刀具路徑規(guī)劃，這樣能實現(xiàn)恒定負載和定接觸角狀態(tài)進行加工。否則，在編程時需要考慮刀具運行軌跡并采用適宜的切削參數(shù)。在機床進行加工時，需要時刻注意機床工作動態(tài)，避免因共振產(chǎn)生而產(chǎn)生振刀現(xiàn)象。

此外，通過采用一些非標刀具也能達到抑制機床共振的目的。如數(shù)控銑加工過程中采用的不等分銑刀和不等距銑刀。不等分銑刀如圖4 所示，四個外周切削刃各相鄰切削刃夾角不相等，所以各外周切削刃與工件接觸的時間間隔也就越長，在加工過程中產(chǎn)生的頻率范圍也就越廣，與機床-刀具-夾具間的固有頻率產(chǎn)生共振的幾率也就越小，所以能很好地抑制共振。

圖4 不等分平底銑刀

2.2 解決“爬行”現(xiàn)象的措施方法

對導軌定期地檢測及保養(yǎng)，并提供一個良好的潤滑環(huán)境，保護導軌的運動面；導軌磨損后需要及時地維修或者更換，來保障機床的運行；加工過程中，刀具編程軌跡采用平滑過渡，避免導軌的急加速急減速運行和低速運行。

2.3 解決工件、刀具剛性不足的措施方法

機械加工過程中，對細長軸型零件加工，必須采用頂尖按、中心架、跟刀架等輔助裝置提高其剛度；對于薄壁零件需采用專用工夾具夾持，防止其發(fā)生彎曲變形。刀具在滿足使用要求的情況下，伸出長度要盡量短；數(shù)控車床車刀墊鐵要平整，數(shù)量愈少愈好，而且墊鐵應與刀架對齊，刀位必須清理干凈；加工初期要進行試切削來調(diào)整切削速度、切深、進給量。

2.4 解決切削力變化的措施方法

對于偏心工件、斷續(xù)切削工件以及焊接工件的加工，理論上都存在斷續(xù)切削過程，在這樣的切削條件下,為了避免振刀和打刀現(xiàn)象的發(fā)生，除了需要采用整體式立方氮化硼刀片進行加工外，加工剛開始的切削速度、進給率要慢些，等到圓整以后，再適當快些。對表面有缺陷工件，開始時背吃刀量盡可能要大一些，而后適當可以減小。

3 結(jié)語

數(shù)控加工過程中產(chǎn)生的振刀現(xiàn)象較為復雜，另外，日常教學過程，由于部分學生操作不規(guī)范，容易導致振刀現(xiàn)象的發(fā)生，這就需要在日常教學過程中不斷地分析和總結(jié)，根據(jù)不同情況分析原因，采取措施加以消除和控制，以保證加工工件的質(zhì)量，提高教學水平，創(chuàng)造良好教學環(huán)境。