切削加工以及切削顫振簡述

武俊卿

摘要：切削加工作為機械制造行業的傳統生產加工工藝，是機械制造的流程中完成零件制作這一中心環節的重要生產技術，文章介紹了切削加工的基本方法，切削加工使用的刀具以及切削過程中產生的切削顫振和相應的控制方法。

關鍵詞：切削加工；切削；顫振

切削加工是機械加工產品生產過程中必要而又值得信賴的技術手段，這一技術手段為了能夠跟上市場需求的不停改變，對切削工具提出了新的要求，而切削刀具日新月異的發展又促使切削加工成為機械產品加工眾多環節中備受關注的生產步驟。在切削加工過程中，也存在著大大小小的問題等待著我們去發現和總結，其中切削顫振就加工生產的主要問題之一，對切削顫振有一個細致的認識，進而采取一定的手段對其實施加工控制，是我們一直探索的科研課題。

1 切削加工概述

1.1 切削加工概念

在機械產品加工生產過程中，按照產品生產規格、質量、工藝等要求，技術人員需要利用合適的切削工具對選取材料進行切割塑形，這一加工生產程序被稱作為切削加工。

1.2 切削加工的要素

滿足切削加工的要擁有生產的三個重要因素，切屑刀具、切削運動和切削角度。簡單的說，刀具就是進行機械生產加工的重要切割工具；刀具與被切割材料的相對運動，就是切削運動；刀具自身固有、安裝以及切割金屬時所參照的切割偏角數據，也就是切削角度。由于刀具是直接接觸產品表面的生產工具，產品的表面微觀粗糙程度，大小精確程度和外形都主要取決于刀具，所以刀具自身材料的硬度、柔韌度、抗腐蝕能力以及生產加工質量工藝等一系列的問題都會對切削加工機床的生產速度、產品質量、以及機床的使用壽命造成不可忽視的影響，進而影響到機械生產加工行業的技術整體水平，還會涉及到生產廠家的刀具生產信譽和使用刀具造成的經濟損失。切削加工過程中，刀具對產品會產生一定的作用力，根據物體受力原理，會有相應的反作用力的產生，力的相互作用會給刀具帶來一定的損耗，造成刀具固有角度的幾何參數發生改變，從而對被加工產品產生影響。相關數據統計顯示，越來越多的機械生產加工廠商開始注意到切削加工設備質量的重要性，擁有切削能力強、切削精度高、耐用可靠的切削刀具是機械產品生產質量的保障，也是企業革新的大勢所趨，長久發展的生存之道。

1.3 切削加工的方法

常見的切削加工方法有很多，其中主要包括車削、磨削、銼削、刮削、鏜削、銑削、刨削等等。雖然切削形式不盡相同，不過在很大程度上這些方法卻遵循著相同的切削生產規律，演繹著相似的切削生產現象，而如此這些也是相關科研技術人員不斷的探索研究切削加工方法的基本理論與依據。面對著國際市場對機械加工產品品質水準的提高，加工使用的材料切割難度加大，除了要選用適合的切割刀具以外，還可以采用不同的新式的切削加工辦法，比如說針對一些導體材料，我們可以采取通電加熱切削；加工鈦合金、耐磨鑄鐵等材料時可以使用降低切削區域溫度的方法；絕緣切削、利用稀有氣體做保護氣切削、超高速切削等許多新式的切削辦法。雖然切削加工的方法多種多樣，其實無外乎根據被切割材料特有物理以及化學性質以及切割刀具的性能采用經濟適用、可實施性較強的切削加工方法。

2 切削顫振產生與危害

切削顫振也稱自激振動，它是切削過程中工件和刀具之間自發產生的振動現象，它的出現將會帶來表面質量的下降、刀具的損傷以及噪聲的產生，限制生產率的提高，嚴重時甚至使加工過程無法進行。為了消除或抑制切削顫振給工業生產帶來的危害，多年來，國內外許多學者在顫振的形成機理、影響因素以及顫振的預報與控制等方面做了大量的研究工作，并且也取得了豐碩的研究成果。

伴隨著切削顫振而來的是噪音污染，并且大大的超出了國家規定標準，長時間在這種環境中工作的技術人員會產生一定的聽覺疲勞，心血管系統疾病，工作效率也會隨之下降，嚴重影響身體健康以及正常的工作生活。同時，切削顫振還會造成機械設備的耗損，縮短機械設備的使用壽命，不夠精準的加工生產設備當然不能制造出高精度、高質量的機械產品。眾多的連環反應就造成了不可避免的加工生產誤差，嚴重的還會影響正常的生產加工，造成不必要的經濟損失。在機床上面發生的自激振動類型較多，例如回轉主軸系統的扭轉或者彎曲自激振動；機床床身、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機床的搖晃。此外還有機床工作臺等移動部件在低速運行時所發生的張弛摩擦自激振動等等。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、刀架或者機床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，并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機床切削效率的關鍵技術問題之一。切削顫振疊加在剝離多余金屬必須的工作運動如切削、進給及切入運動上，并影響刀具乃至機床的使用壽命。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機床額定功率，導致加工工時，即制造成本上升，延誤工期。顫振問題在投資龐大的現代化數控機床上尤為值得關注，因為這類機床的經濟性建立在其時間和功效方面的高度利用。

3 切削顫振理論與減小切削顫振的措施

3.1 切削顫振理論

3.1.1 再生顫振理論

目前，對切削顫振形成的物理原因，主要依據三種理論進行解釋：再生顫振是由于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。

3.1.2 振型耦合理論

在某些完全不存在再生顫振條件的切削狀態下，如在切削螺紋時，后一轉的切削表面與前一轉的切削表面完全沒有重疊，但也經常發生顫振。由于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。人們由此得出結論：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，因而引起顫振，進而提出在設計機床時應考慮如何配備機床各部件在不同方向的剛度。

3.2 減小切削顫振的措施

將主軸轉速、進給量、切削寬度以及刀具角度等切削參數適當調整，即可抑制顫振的發生。其中最為突出的是改變主軸轉速的變速切削，對顫振的抑制效果顯著。因為機床整體結構的復雜性，控制顫振的理想手段應該 可以從其局部部件著手，包括對機床床身、立柱等基礎部件的改進，以提高機床的抗振性能；也可以對機床的刀具結構進行必要的改進。新型切斷刀的設計思想是建立在增大阻尼的基礎之上，利用顫振理論結合刀具結構設計，解決切削加工中的顫振問題。

4 切削顫振科學研究的意義

理論上講，通過一代又一代科研人員的辛勤努力，我們可以更加的明晰切削顫振的產生的原因，針對不同的原因可以構思不同的顫振控制理論，為生產實踐提供理論依據；從實際的加工生產來說，合理的完整的科研理論指導，可以給切削加工工藝帶來不斷的革新，是不可避免的機械顫振可以變小甚至有一天可以實現無顫振的美夢，也能夠為機械操作人員提供良好的工作環境，同時不至于造成切削工具的損壞，既節約了能源又提高了加工生產效率和經濟利益。

5 結束語

社會主義市場經濟的快步發展，人們競爭意識的增強，深入細致的了解切削加工過程中產生的刀具、切削顫振系列問題的本質特性，通過不斷的科學探究實踐，形成完整的科學理論體系，使機械制造行業擁有更加光明的發展前景。