刀具的振動與消除措施研究

楊守帥

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

關鍵詞：刀具;振動;切削力

中圖分類號：TG714 文獻標識碼：A 文章編號：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 刀具振動的原因

切削加工過程中不可避免會產(chǎn)生振動。振動主要分為設備本身的振動、加工工況引起的振動和刀具切削產(chǎn)生的振動。

1.1 設備本身的振動

設備本身的振動即電動機啟動和主軸旋轉引起的振動。設備本身的振動又稱為強迫振動，與設備自身的剛度（機床的結構、地基、絲桿間隙、主軸的優(yōu)劣）、車間地基的質量以及周圍環(huán)境有關（其他重型設備振動的干擾，甚至車間附近火車經(jīng)過的振動等）[1]。

1.2 加工工況引起的振動

由于零部件的結構類型、整體剛性以及裝夾原因等因素造成加工工況惡劣會引起振動。

①結構類型引起的振動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。

1.3 刀具切削產(chǎn)生的振動

刀具切削產(chǎn)生的振動稱為切削振動又稱為自激振動。刀具切削過程中，由于切削力的變化導致刀具振動，振動大小與刀柄或刀桿的直徑、長度和剛性有關。在長懸伸刀具的鏜、銑加工和薄壁工件、細長軸的加工中，不可避免地存在振動。

本文主要探討切削過程中由于各種切削條件引起的振動，分析如下。

①在切削過程中，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;斷續(xù)切削（如銑刀等多齒刀具）振動比連續(xù)切削（如車刀、刨刀等）振動大。

②切削參數(shù)選用不合理，如切削速度過高、過低，切深大于刀尖角或者小于刀尖角，進給量的大小等，都將產(chǎn)生振動。

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

④切削不穩(wěn)定，屑形不合適或排屑受阻，導致振動。

⑤刀具的本身設計與裝夾結構是導致振動的重要因素，如刀尖的角度和刀尖的圓弧角選擇不當、刀桿裝夾剛度低等。

2 振動的危害

振動的危害主要包括以下4種：

①振動會降低工件加工精度，增大表面粗糙度，使工件表面出現(xiàn)振紋;②振動會加劇刀具的磨損，降低刀具壽命，而長期振動會加速設備的老化;③振動會產(chǎn)生噪聲，尤其高頻嘯叫，對操作工人危害大，其噪音成為公害;④由于種種原因引起強烈振動，可使加工無法進行，甚至導致零部件加工報廢[2]。

3 消除振動的措施

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，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，應選擇大的刀尖圓弧半徑，切削力大，耐沖擊。精加工時，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系。切深一定時，刀尖圓弧半徑的變化直接影響切削力的變化。設ap為切深，r為刀尖圓弧半徑，如圖1所示。當?shù)都鈭A弧半徑大于切深時，徑向力最大;刀尖圓弧半徑等于切深時，徑向力和軸向力相當;刀尖圓弧半徑小于切深時，軸向力最大。在車削細長軸類、薄壁類零件時最為明顯，增大切深后，振動會減小。

3.1.4 主偏角的影響。在深孔鏜或銑削加工時，應選擇主偏角90°或接近于90°的刀具，因為此類刀具軸向切削力最大，同時徑向切削力最小，促使刀具在切削時穩(wěn)定。此狀態(tài)切削過程中振動最小，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，此類刀片鍥入角最小，切削輕快。此外，針對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，轉速過高、過低，切深或進給過大、過小，直接影響切削力大小。在工況穩(wěn)定情況下，降低轉速、減小切深、降低進給，可減小切削力。

3.2 增強刀具系統(tǒng)的靜態(tài)剛性

3.2.1 增強刀具的整體靜態(tài)剛性。靜態(tài)剛性與刀具的材質和結構有關。靜態(tài)剛性K為：

其中：E為刀桿材質的彈性系數(shù);I為慣量;L為刀桿懸臂長度;D為刀桿直徑。可見，如果提高K（靜態(tài)剛性），應減少L（刀桿懸臂長度）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、高的扭轉剛度。所以，要優(yōu)化、改進刀具的阻尼系數(shù)、彈性模量和慣性矩等。比如，對鋼制刀桿中鑲入高彈性模數(shù)的材料，提高刀具的抗振性，如圖3所示。

3.2.3 提高刀具安裝時的剛性。對于長刀桿（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。

開口套（件號4）和哈呋（件號5）壓緊方式，夾緊效果較好;而靠螺釘頂緊式（件號6）刀桿，為點接觸和線接觸，壓強太大，若是硬質合金刀桿易斷裂，刀具振動時易相對晃動。

刀桿夾持部分長度，刀桿直徑與伸出長度之比即長徑比為10∶1時，夾持部分應大于等于4倍的刀桿直徑。長徑比增大，夾持部分也應該適當增大，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，模塊式刀柄應比整體式刀柄剛性差，但事實上并不一定。目前，模塊化接口是先進的短錐大端面雙定位面系統(tǒng)，即過定位安裝。實際上，當加工精度很高時，圓錐面和端面同時接觸（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，刀柄端面和機床主軸端面是不接觸的。當然，刀具部分模塊接口越多，刀桿越長，產(chǎn)生的撓變?nèi)匀蝗菀桩a(chǎn)生振動。

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

3.3 使用消減裝置

刀具在切削過程中對刀具內(nèi)腔或外部設計干撓裝置，打亂切削振頻，達到減小振動的目的。

3.3.1 液體摩擦減振器。液體摩擦減振器是一種動力減振器，原理是內(nèi)部安裝的輔助質量在運動時產(chǎn)生液體摩擦力和慣性力使其減小振動，如圖6所示。

3.3.2 沖擊減振器。利用兩物體相互碰撞后動能損失的原理，在振動體上安裝一個或多個起沖擊作用的自由質量。當?shù)毒哒駝訒r，引起自由質量振動，同時碰撞刀體，干撓振頻，消減能量，減小振動，如圖7所示。

3.3.3 設計要點。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。要實現(xiàn)沖擊減振，首先要使自由質量m對振動體M產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)周期沖擊運動，即在每個振動周期內(nèi)，m和M分別碰撞一次。為此通過試驗，選擇合適的間隙[δ]是關鍵。因為[δ]在某些特定范圍內(nèi)才能實現(xiàn)穩(wěn)定周期沖擊運動，同時希望m與M都以最大速度運動時進行碰撞，以獲得有力的碰撞條件，造成最大的能量損失。自由質量m越大，碰撞時消耗的能量越多。因此，在結構允許的條件下，選用盡可能大的質量比[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，減振效果時好時壞。若采用硬質合金，預期效果較好，但價格較貴。

①將沖擊塊安裝在振幅最大的位置，可提高減振效果。

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

③自由質量在振動體內(nèi)運動，二者在接觸面產(chǎn)生的干摩擦力對減振效果有一定的影響。

經(jīng)過國內(nèi)外專家們總結的資料和實踐經(jīng)驗證明，采用減振刀桿確實能起到防振效果。鋼制刀桿的懸伸量不能超過3倍，硬質合金刀桿的懸伸量不能超過5倍，采用減振刀桿可達到5倍以上。減振刀桿靠增強刀具的動態(tài)剛性，可達12∶1。公司進口某品牌刀具特殊減振刀桿（即同時增強刀具的動態(tài)剛性（減振系統(tǒng)）和靜態(tài)剛性（加硬質合金套））長徑比達14∶1。

4 結語

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

參考文獻：

[1]袁哲俊，劉華明.刀具設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[2]陳家坊.最新金屬切削加工工藝實用手冊[M].上海：金盾出版社，2006.

[3]郝明，郭銳.數(shù)控刀具選用指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.