數控機床加工過程中的振刀原因分析及處理措施

馬春陽

（南陽技師學院，河南 南陽 473000）

我國進入21 世紀以來，各項技術都獲得十足的發展，尤其是在數控技術方面，不斷朝著智能化以及高精密性的方向繼續發展，從而不斷推動我國現代化的進程。但是通常數控機床在進行加工的過程中，雖然刀具與工件之間不會產生較多的關聯，但彼此之間會出現比較明顯的周期性往復運動，也就是刀具與工件之間會產生比較強烈的碰撞現象，從而使數控機床系統不可避免地出現振動現象。在進行數控機床加工的過程中，要想防止振動現象進一步地擴大，就必須加強對夾具、刀具以及操作程序方面的考慮，減少對加工物件質量的影響程度。

1 數控機床振刀涵義

數控機床振刀現象一般指數控機床在銑、車、鉆等加工中，如果在實施切削過程中產生不需要的振動現象，會導致加工零件表面出現非常明顯的波動，或者加工中的工件或者刀具產生差異性較大的振動現象時，也會出現數控機床振刀的問題。數控機床振刀所觸發的條件較多，比如刀架刀具整體型號不夠合理，機器使用條件或者零件夾具沒有達到規定使用標準等。

當數控機床在加工過程中出現非常明顯的振動現象時，會使加工物件表面出現更多的紋路，直接影響了表面光潔程度，從而減少了加工刀具的使用壽命，不僅會增加成本費用，同時還會帶來潛在性的安全威脅。經過振動的影響后，加工物件會表現出比較明顯的振動痕跡，整個痕跡呈現出不規則的形狀，從而影響了整個加工物件的質量，同時也會使刀具兩面受到不均勻的磨損問題。

一些技術人員會憑借著豐富的工作經驗，通過機床發出的聲音進行識別，從而判斷振刀現象是否出現。比如可以通過100μm 作為判斷標準，也就是說當機床振動幅度的聲音超過100μm 時，那么數控機床的刀具質量會受到影響，長此以往下去會導致刀具出現松落的現象，使數控機床無法正常地運行下去。當振動幅度低于100μm 時，雖然不會出現刀具松落的現象，數控機床也能夠繼續運行下去，但物件加工的質量會受到很大影響，會使加工物件表面出現非常明顯的振動劃痕，無法正常使用，造成比較嚴重的經濟損失。因此，在面對數控機床加工振刀的問題時需要理性看待，同時將其振動幅度控制在合理的范圍之內[1]。

2 數控機床加工過程中振刀原因分析

2.1 刀具安裝不合理

刀具安裝不合理主要表現為刀具安裝的剛性強度較差，比如刀桿的尺寸沒有達到規定要求，導致在加工過程中，刀桿會出現非常明顯的顫動現象。在經過長時間的影響下，會使數控車床中的墊鐵表面不夠光滑。一般情況下對于刀桿上使用的刀具材料有碳、鉬、鈮、鋯等，當刀具出現磨損后就會引起振動。如果機床上的刀具材料表面出現了剝落的情況并且不及時進行處理的話，就很容易出現振刀現象。還有一些因素也會導致刀具發生振動。例如刀具本身質量不合格，或者由于刀具上裝有過大的內孔而造成內孔內有大量的積碳。積碳嚴重會導致刀具內孔堵塞而引起振刀，刀具材料與工件表面直接接觸會導致刀具表面損傷。另外刀桿中還存在著多個螺釘螺母，這些螺釘螺母主要是起到固定的作用，防止刀桿出現脫落。如果螺釘螺母沒有按照規定要求擰緊的話，同時會產生比較嚴重的刀具振動現象[2]。

2.2 切削力發生較大幅度變化

切削層作為數據機床刀具中的一部分，對數據機床的運行產生了重要影響。通常在進行加工的過程中，由于加工零件多屬于金屬制品，因此會使刀具切削層在長時間影響下，也會摻雜著多種金屬物質。這些金屬物質通過氧化作用的物理學角度來看，能夠使切削過程中的切削層橫截面積受到影響，進一步影響加工物件的表面質量。由此可見，當刀具產生比較嚴重的切削力變化時，就有可能引發比較嚴重的數控機床振刀問題。

一般情況下，切削力與刀具公稱直徑的平方成正比的關系，數值不超過3mm。如果切削力產生明顯的變化，則加工過程中工件不能得到充分的切削，進而產生較大的切削阻力，會使機床振動。另外，數控機床產生振動會出現比較大的噪聲，對環境產生影響。例如：在切削加工過程中經常會聽到“嗡嗡”的聲音，而且這種聲音很有可能是刀具松動引起的。這是因為當金屬切削的切削力較大時在工件上會產生較大的熱量而導致刀具產生振動。或者當某一加工物件溫度超過450℃時，就有可能產生振動現象，這是因為在加工某一工件時由于工件材料具有一定的熱變形能力和較高的切削溫度會導致機床振動產生較多。

2.3 共振現象的出現

共振現象屬于一種比較常見的物理現象。通常數控機床進行加工的過程中，在驅動性作用的影響下，會產生出較為明顯的周期性驅動力頻率，而且會和自激性的振動頻率產生相同作用，最終引發比較明顯的共振現象。當出現共振現象后，會立即加大振動的幅度，使刀具發生非常明顯的改變，同時也嚴重影響加工物件改造的正常運動軌跡，加工位置也會出現非常明顯地偏移問題，在尺寸的精確上更低，最終影響整個加工物件的質量，產生非常明顯的振紋。

2.4 機床部件存在“爬行現象”

機床爬行現象指的是在對零件加工時受環境上的影響，有時加工零件會產生低速運動的狀態，呈現出不均勻性的運動軌跡。而造成機床爬行現象的主要原因有兩點：一種是受到摩擦力變化的影響，在實際運行的過程中，當機床加工運行速度下降到某一個數值后，其臨界速度較慢，出現緩慢的現象，導致加工零件表面出現震顫。另一種是受切削液溫度的影響，當切削過程中產生的熱量較高，那么刀具的溫度就會明顯上升，導致銑削失敗或銑削深度變淺。在銑削過程中由于熱量的不斷傳遞會導致在切削過程中產生振動，這種振動隨時間的推移會越來越大。另外，溫度的變化也會影響刀具的壽命。當溫度高于其允許范圍時就會產生振動，因為銑削過程中機床主軸的運動速度會隨著機床工作臺運動速度而增加，如果這個速度超出了機床工作臺運行速度時就會引起振動，因此必須保證機床主軸在規定的轉速范圍內運動。為了避免這種情況發生可以通過對主軸轉速的調節或者加裝冷卻液循環泵來避免高溫對主軸部件造成破壞[3]。

3 數控機床加工過程中振刀現象處理措施

3.1 控制好機床共振現象

要想加強對數控機床共振現象的控制，首要步驟是保證數控機床的質量，在對數控機床進行安裝時要在相關的指導下進行安裝，提前設置好固定頻率。其次，為了強化控制效果，需要結合數控機床的實際情況，對其中加工系統的切削參數進行合理設置，防止固有頻率對其造成影響，從而引發比較嚴重的共振現象。例如當刀具轉移到某一工作點后，如果刀具接觸角為10%，那么要求刀具的轉動速度為2000r/min，如果刀具在經過移動后接觸角為30%，那么就需要下降刀具的轉動速度，可以將其設置為1500r/min，如果刀具在經過移動后接觸角超出了40%，那么這時就需要將刀具轉動速度控制在1000r/min 之下。因此，在調整刀具轉動速度時，需要根據刀具的移動位置來進行合理判斷。

當所需要的加工零件非常復雜時，就需要利用高科技的手段進行合理規劃，比如使用相關的計算機軟件對數控機床刀具的路徑進行合理規劃，從而使數控機床刀具能夠保持在一種恒定負載以及定接觸角狀態下進行加工。另外，在設置相關程序時，需要結合刀具的運行軌跡來進行合理設置，防止機床運行受到嚴重影響，從而引發比較嚴重的共振現象。

除此之外，還可以通過對刀具的選擇進行有效控制，加強對刀具的合理控制，能夠直接決定著整個數控機床的加工效率，因此需要加強對刀具的設計，認真考慮刀具的磨損程度以及噪聲程度，對刀具磨損情況進行合理分析，找出最合適的刀具構造。針對不同的刀具設計和選用，在使用之前進行試驗準備。對于不同的刀具要求，其使用時間也不盡相同。對于普通的單面刀具，應采用單刃或多刃切削；對于大型銑削設備來講，一般選用雙刃刀、雙刃切削；對于銑削加工工藝復雜的機床來說采用多刃的切削方式。一般來說銑削加工工藝復雜和生產效率較高時宜采用雙刃刀和多刃刀切削；而對于生產效率較低時宜采用單刃刀或多刃刀。在具體數控加工中應選擇質量合格、結構合理、使用壽命長、刀具精加工、刀具損耗小和經濟實用等特點的刀具以減少振刀現象。另外，對于需要對數控工件進行精確銑削復雜工件時，應采用雙刃切割技術、雙刃車削技術和雙刃銑削技術等；對于需要對數控零件進行精加工時，應采用復合功能刀具與雙刃車削技術等。

3.2 提升工件以及刀具剛性能力

在進行機械加工的過程中，如果是對細長軸型零件進行深度加工，那么就必須加強對各種輔助裝置的應用，不斷提高其強度和硬度，通常應用的設備包括頂尖按、中心架以及刀架等。如果加工的零件的寬度較窄，那么需要提前制定好專門的夾具來將其進行固定，防止加工零件出現明顯的彎曲現象。另外，為了有效解決刀具剛性能力不足的情況，需要合理控制好刀具的長度，保持好刀具表面的光滑程度，結合加工零件的實際情況進行不斷調整。

3.3 調整機床的切削效果

首先是需要對切削力以及切削速度進行適當調整，在數控機床加工過程中，刀具所承受的切削力以及所需的切削速度等都會對機器產生一定影響。在進行加工時，刀具所承受的切削力越大，機器上的轉速越高，對系統造成的影響也就越多。如果切削速度過快的話，那么會很容易出現斷刀、斷齒等現象。為了減少或避免這種現象發生，應當合理選用適當的切削力及切削速度；另外還可以根據加工任務量對切削力及切削速度進行合理分配。比如對于車削場合，可采用減小切削速度的方式，增加切削壓力、減小切深、減小銑削變形等方法來提高銑削效率。如果在大型車床上銑削條件較差或加工任務較為繁重時，應該選擇減小切削速度或增加切削壓力來減輕振刀問題。

其次是選擇更加合適的冷卻系統以及潤滑方式，以此來不斷降低切削熱量，減少對刀具以及周圍零件的影響。通常冷卻液的冷卻方式有兩種：一種是水或油類冷卻液，另一種是蒸汽式冷卻液和水蒸氣混合式冷卻液。水和蒸汽式冷卻液具有良好的冷卻效果，水冷卻時切屑從高溫水中蒸發或吸收熱量來冷卻切屑，對于冷卻液來說，冷卻液的冷卻效果好與水的性能關系密切。通常情況下，水有良好的導熱性；蒸發或吸收熱量是將液體冷卻至常溫時所必需的物理機械行為和物理化學性質。也就是說水的純潔性越高，流動性越好；反之水會加速蒸發并將切削液中所含的熱量帶走。所以在切削過程中應盡量避免采用水作為冷卻的介質。

3.4 防止“爬行”現象的出現

為有效解決加工零件“爬行”過程中所存在的問題，要求維修人員定期對“爬行”軌道進行保養與維修，或者利用各種潤滑劑進行涂抹，使軌道能夠一直保持良好的運動狀態。當軌道表面出現比較嚴重的磨損問題后，需要立即對其進行更換，防止機床加工運行受到嚴重影響。并且在加工的過程中，需要采用平滑過渡的方式來對刀具編程進行改變，防止出現低速運轉的現象。

4 結語

綜上所述，本文主要對數控機床加工過程中振刀現象出現的原因以及處理措施進行分析研究。一般在數控加工中所產生的振刀現象極為復雜，而且所包含的知識內容較廣，使得許多操作人員在理解程度上存在誤區。由于數控機床振刀原因有很多種，因此在進行處理時需要結合實際情況，對其運行合理分析，根據不同情況進行原因分析，從而采取針對性的解決措施，以此來減少振刀的現象，延長刀具的使用壽命，同時也進一步保證加工零件的質量，推動我國現代化工業的發展。