楊晉寧

（甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天水 741001）

切削顫振是一種強烈的自激振動，發(fā)生在金屬切削過程中的刀具和工件之間。這種機械振動現(xiàn)象十分復(fù)雜，其成因和發(fā)展規(guī)律不僅與切削加工過程有關(guān)，也與機床的動態(tài)特性有著潛在聯(lián)系。

切削顫振的危害性很大，主要有以下幾個方面。首先，刀具切削工件時如果發(fā)生振動，會在工件已加工表面產(chǎn)生振動痕跡，加大已加工表面的粗糙度，同時會對機床上零件的使用性能造成較大的影響。其次，在切削過程中，切削截面、切削角度、切削力等會在刀具產(chǎn)生的振動下出現(xiàn)周期性變化，從而使工藝系統(tǒng)中各組成環(huán)節(jié)承受動態(tài)載荷的作用，很容易出現(xiàn)刀具磨損及崩刃情況，降低刀具壽命，影響機床連接特性，嚴(yán)重時無法從事切削加工活動，甚至引發(fā)重大生產(chǎn)事故。再次，切削過程中，高頻振動頻繁，時常伴隨刺耳的聲音，在對周圍環(huán)境造成噪聲污染的同時，對操作者的身心健康產(chǎn)生危害。最后，在實際切削加工過程中，操作者需要降低切削用量各參數(shù)值來避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，無法充分發(fā)揮機床和刀具的工作性能，使機械加工效率的提高受到限制。經(jīng)過充分的理論和實踐觀察分析，湯愛君將顫振穩(wěn)定性的影響因素分為機床、工件、刀具、切削用量及其他因素等5 個方面，如圖1 所示[1]。

圖1 顫振穩(wěn)定性影響因素

在航空航天技術(shù)迅猛發(fā)展的當(dāng)下，薄壁類零件因具備突出的優(yōu)點而日益受到青睞。在切削加工過程中，引起顫振的切削用量因素主要為主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量（每齒進(jìn)給量）、銑削深度（軸向和徑向）等。針對一些特殊工件，切削時主要考慮對顫振特性產(chǎn)生影響的刀具幾何參數(shù)和切削用量。目前，控制切削加工系統(tǒng)顫振現(xiàn)象的方法主要有合理匹配切削參數(shù)、優(yōu)化刀具設(shè)計、提高工藝系統(tǒng)的剛度和阻尼、采用減振裝置及實時監(jiān)測控制等。在切削加工系統(tǒng)中，抑制顫振發(fā)生方法的適用場合和實施效果會因不同的工藝原理而有所差別。以銑削加工為例，從刀具幾何參數(shù)和切削用量兩個因素入手，介紹切削顫振穩(wěn)定性影響因素的研究現(xiàn)狀。

1 切削顫振產(chǎn)生機理

經(jīng)過多年持續(xù)深入的研究，目前廣泛存在3 種不同的切削加工顫振機理，即摩擦顫振、再生顫振和振型耦合型顫振。

1.1 摩擦顫振

摩擦顫振又稱負(fù)摩擦效應(yīng)顫振，是早期解釋切削顫振形成原因的理論之一。該理論認(rèn)為，切削顫振的產(chǎn)生是因為刀具-工件副間存在負(fù)摩擦效應(yīng)。在切削過程中，當(dāng)切削速度持續(xù)增大時切削力反而下降，或者切削速度與刀具前角發(fā)生動態(tài)變化時切削力的相位出現(xiàn)滯后等，這些現(xiàn)象均源于摩擦顫振[2]。

1.2 再生顫振

再生顫振是工件和切削工具受振動影響后，位移發(fā)生反饋延時出現(xiàn)的一種動態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象，幾乎存在于所有切削加工過程中。

以銑削加工為例，銑刀每旋轉(zhuǎn)一圈，每個刀齒將參與切削一次，后面的刀齒總是會切入前刀齒加工過的表面，銑削軌跡有所重復(fù)。在已加工表面上，如果由于某種特殊原因保留有前齒銑削振動痕跡，則當(dāng)后齒主切削刃再次加工到這些帶有振痕的地方時，將會使切削層參數(shù)中的切削厚度值發(fā)生變化。切削力會隨著切削厚度的改變而產(chǎn)生一系列變化，從而使刀具-工件副發(fā)生振動引發(fā)系統(tǒng)的振動變形，并再次產(chǎn)生振痕。若循環(huán)反復(fù)，則有可能造成原本較少的振痕向整個加工表面擴散，引起再生顫振。

再生顫振分為線性和非線性。線性系統(tǒng)的各種簡化假設(shè)受到系統(tǒng)動態(tài)特性、切削穩(wěn)定性和多變量的影響，造成與實際切削過程之間存在較大偏差，因此非線性的研究相對更多一些。但是因為絕大多數(shù)非線性研究只停留在理論階段，所以它所得出的結(jié)論對實際生產(chǎn)的指導(dǎo)作用并不強。

1.3 振型耦合型顫振

振型耦合型顫振由振型耦合效應(yīng)引發(fā)，它與再生顫振相比，多數(shù)情況下只針對兩自由度線性系統(tǒng)，而且在振型耦合型顫振發(fā)生時，振動體的振動軌跡是一條閉合曲線。振型耦合型顫振理論的提出，對提高機床各部件的剛度設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

2 刀具幾何參數(shù)的影響

2.1 齒數(shù)

銑削力是銑削加工時出現(xiàn)顫振的主要原因。當(dāng)銑刀銑削工件時，每經(jīng)過一個刀齒，銑削力就會發(fā)生一次波動，持續(xù)波動的過程就是整個顫振發(fā)生的過程。根據(jù)臨界銑削公式可推導(dǎo)出齒數(shù)與臨界切削深度成反比，齒數(shù)越多臨界切削深度越小，穩(wěn)定切削條件下所允許的最大軸向切削深度越大。隨著刀齒的增加，每個刀齒參與銑削的時間變短，參與銑削的刀刃數(shù)變多，銑削力的波動周期變短，振動頻率變大，顫振所需的主軸轉(zhuǎn)速變小，Lobe 圖向低轉(zhuǎn)速方向左移[3]。

當(dāng)轉(zhuǎn)速相同時，如果銑刀的齒數(shù)增多，工作的齒數(shù)則隨之增加，這就意味著承擔(dān)銑削力的面積變大，降低了銑削力密度，這對于減少系統(tǒng)振動、延長刀具壽命、提高加工效率具有積極作用。但是齒數(shù)的增加會使銑刀的幾何結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，使刀體強度降低，應(yīng)力集中容易發(fā)生在刃、槽部接觸位置。因此，齒數(shù)越多，引發(fā)切削系統(tǒng)顫振的概率越大。

2.2 螺旋角

隨著螺旋角的增大，臨界切削深度減小，切削穩(wěn)定性所允許的最大軸向切削深度逐漸增大，Lobe 圖峰值略向低轉(zhuǎn)速方向移動。原因在于螺旋角度數(shù)增大，實際工作的前角度數(shù)也隨之變大，刀齒參與銑削的能力提高，在方便切屑排出的同時，有助于提高刀具耐用度、生產(chǎn)效率和工件表面加工質(zhì)量，使切削過程變得更加平穩(wěn)、輕松。但是如果螺旋角過大，則會使刀具上的垂直分力變大，工件受力變形嚴(yán)重，導(dǎo)致排屑效果變差，同時會降低銑刀的耐用度，不利于刀具制造及磨刃。

隨著螺旋角的增加，切削穩(wěn)定性逐漸提高。切削穩(wěn)定區(qū)域在主軸轉(zhuǎn)速較低時較小，對轉(zhuǎn)速變化的反應(yīng)非常靈敏。在主軸轉(zhuǎn)速較高的情況下，穩(wěn)定性切削區(qū)域的寬度有所增加，使得轉(zhuǎn)速變化的靈敏度降低。因此，螺旋角度數(shù)的改變對顫振穩(wěn)定性的影響微乎其微。

2.3 刀具直徑

刀具直徑能夠改變刀尖點的頻響，刀具剛度在銑刀直徑變大的情況下得到提高，從而使刀尖頻響幅值減小，Lobe 圖向上移動，刀具振動有所減小。再加上銑刀直徑增大，切削力變化幅度會明顯減弱，刀具所受應(yīng)力減小，在相同主軸轉(zhuǎn)速下刀刃切削部位的線速度增大，從而減少刀刃與工件接觸的時間，有利于剝落積屑瘤，提高加工表面質(zhì)量。因此，在提高切削顫振穩(wěn)定性方面，適當(dāng)增大刀具直徑會起到積極作用。

2.4 刀尖圓弧半徑

刀尖圓弧半徑的增大，增強了刀具切屑等的散熱，同時提高了刀具強度等參數(shù)，但徑向銑削力隨之增加，加工過程會處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易發(fā)生再生型顫振。從提高顫振穩(wěn)定性的角度考慮，刀尖圓弧半徑越小越好，但刀尖圓弧半徑的減小會降低刀具壽命，影響零件的加工質(zhì)量，因此選擇刀尖圓弧半徑應(yīng)綜合考慮各方面的影響[4]。

2.5 法向前角

切削刃和刀尖強度會隨著法向前角的減小而增大，更有利于刀具散熱。法向前角越大，刀刃越鋒利，切削過程會更輕松，切屑變形越小。同時，相應(yīng)減小了前刀面和被加工材料間的摩擦阻力，切削加工振動的振幅逐漸減小，提高了切削穩(wěn)定性。但法向前角太大，會降低切削刃和刀尖強度，在遇到脆性材料時不能滿足其加工要求，因此銑刀法向前角的大小應(yīng)根據(jù)具體情況而定。

3 切削用量的影響

3.1 主軸轉(zhuǎn)速

高速切削最大的特點是高轉(zhuǎn)速，主軸轉(zhuǎn)速越高切削效率越高，但并不是主軸轉(zhuǎn)速越高越好。高速切削刀具在系統(tǒng)切削參數(shù)不變的情況下，切削速度的加大會增加刀具的切削抗力，當(dāng)提高到某一臨界值時，切削抗力會有所下降。研究發(fā)現(xiàn)，切削顫振對主軸轉(zhuǎn)速的靈敏性很高，轉(zhuǎn)速變化會引起顫振穩(wěn)定性發(fā)生劇烈變化，應(yīng)根據(jù)具體情況合理選取主軸轉(zhuǎn)速[5]。

3.2 進(jìn)給量

在系統(tǒng)其他切削參數(shù)不變的情況下，增加進(jìn)給量后切削力也會增大，這就有可能導(dǎo)致機床的動態(tài)加工特性發(fā)生改變，從而使加工過程處于不穩(wěn)定狀態(tài)。另外，調(diào)整進(jìn)給量會使切削過程中的切削剛度和阻力發(fā)生變化。同時，進(jìn)給量的增大會改善切屑流動情況，減小動態(tài)銑削力。因此，在實際銑削加工時，系統(tǒng)中的顫振可以通過每齒進(jìn)給量的適當(dāng)增加來控制。

3.3 銑削深度

銑刀銑削深度分為軸向銑削深度和徑向銑削深度，其中軸向銑削深度為背吃刀量，而徑向銑削深度為側(cè)吃刀量。在系統(tǒng)切削參數(shù)不變的情況下，增加軸向銑削深度可以提高材料去除率，從而提高加工效率，但同時會使切削力增大，造成刀具磨損加劇，引起顫振穩(wěn)定性變化。而改變徑向銑削深度，系統(tǒng)的極限穩(wěn)定性會隨之發(fā)生變化。允許的軸向銑削深度在相同主軸轉(zhuǎn)速下隨徑向銑削深度的增加而逐漸降低，但對切削力的影響較小。因此，應(yīng)根據(jù)具體情況確定銑削深度，從提高顫振穩(wěn)定性的角度進(jìn)行合理選擇。

4 結(jié)語

刀具幾何參數(shù)和切削用量對切削顫振穩(wěn)定性的影響因素還有很多，如切削刃鈍圓半徑、銑削方式等。從銑刀齒數(shù)、螺旋角、刀具直徑、刀尖圓弧半徑、法向前角、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量和銑削深度等方面對切削顫振穩(wěn)定性影響情況的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，結(jié)果表明：適當(dāng)減小刀具齒數(shù)、增大螺旋角、增大刀具直徑、減小刀尖圓弧半徑以及增大每齒進(jìn)給量，將有助于降低切削顫振，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，而法向前角、主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度則需視具體加工情況合理選擇。