機(jī)床切削加工及切削顫振

張廣為，申 林

沈陽機(jī)床股份有限公司中捷機(jī)床有限公司，遼寧沈陽 110142

1 切削加工的重要作用與刀具

1.1 切削加工的重要作用

機(jī)械制造過程中最關(guān)鍵的步驟是零件的制作。制作毛坯時(shí)一般采用成形制造的方法，通過鑄造、焊接、鍛造等方式手段加工完成。精確成形工藝，又稱凈成形工藝，是近些年來出現(xiàn)的新工藝，加工半成品或成品時(shí)一般采用精確成形工藝，通過精鑄、精鍛的方式加工完成。制造模型或經(jīng)書零件時(shí)一般采用快速原型制造工藝。切削、磨削是傳統(tǒng)的加工制造方式，除此之外機(jī)床切削加工方式還包括激光束加工、電子束加工、電化學(xué)加工等工藝?，F(xiàn)今，傳統(tǒng)加工方式中切削工藝是最重要的加工方式，在未來的幾年內(nèi)還將在零件加工領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

1.2 刀具的重要作用

性能好的刀具能夠提升機(jī)床的生產(chǎn)效率，保證加工出的產(chǎn)品質(zhì)量。因此，提高刀具的性能對(duì)機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)水平和經(jīng)濟(jì)效益的提高起著至關(guān)重要的作用。

金屬切削加工出的產(chǎn)品在外觀形狀、尺寸大小、表面的光滑程度和產(chǎn)品質(zhì)量有嚴(yán)格的要求，因此，在使用刀具切除工件上多余的金屬材料時(shí)，要重視生產(chǎn)過程中加工的每個(gè)步驟。特別是使用刀具分離工具表層時(shí)，刀具和零件的表面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相互作用的力，即刀具的切削作用和工件的反切削作用，這是機(jī)床切削加工過程中首要矛盾。

隨著工具加工行業(yè)的迅猛發(fā)展，相關(guān)企業(yè)越來越重視切削刀具在生產(chǎn)加工過程中發(fā)揮的重要作用。新產(chǎn)品和新科技的使用加速了刀具切削工藝的革新進(jìn)程，數(shù)控機(jī)床等高性能的加工刀具技術(shù)開始投放生產(chǎn)使高速切削和超高速切削成為了可能。高速切削和超高速切削工藝對(duì)生產(chǎn)加工的要求程度更高，要求切削的穩(wěn)定性高，精準(zhǔn)程度更加精確，刀具能夠?qū)崿F(xiàn)快速更換，甚至是自動(dòng)更換。機(jī)床切削加工未來的發(fā)展趨勢(shì)迫切要求刀具在材料、結(jié)構(gòu)和性能上的質(zhì)量更高。

2 切削顫振產(chǎn)生與危害

2.1 切削顫振產(chǎn)生的原因

當(dāng)出現(xiàn)以下幾種情形時(shí)機(jī)床會(huì)產(chǎn)生自激振動(dòng)：一是工件或是刀具同回轉(zhuǎn)主軸相互連接時(shí)因?yàn)榕まD(zhuǎn)和彎曲而產(chǎn)生了自激振動(dòng)；二是在工件切削過程中因?yàn)楣ぜ闹芷谛赃\(yùn)動(dòng)而造成的機(jī)床整體性自激振動(dòng)；三是在工件切削過程中慢速加工時(shí)，機(jī)床會(huì)隨之與地面產(chǎn)生緩慢的摩擦而產(chǎn)生的自激振動(dòng)。

顫振指的是在金屬工件的加工過程中，刀具同工件因?yàn)橄嗷ゼ庸つΣ炼a(chǎn)生的自激振動(dòng)。產(chǎn)生顫振的原因是在金屬工件的切削過程中，工件、刀具和機(jī)床因?yàn)橄嗷プ饔眯纬砷g斷而有規(guī)律性的振動(dòng)。

2.2 切削顫振的危害

在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，一旦機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生巨大的噪聲。長時(shí)間以來，機(jī)械生產(chǎn)中產(chǎn)生的大規(guī)模噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人體能夠承受的健康程度，一方面長時(shí)間工作在噪聲大的生產(chǎn)環(huán)境中會(huì)使操作人員較易產(chǎn)生疲勞感，甚至?xí)T發(fā)心腦血管疾病，降低工作效率；另一方面，機(jī)床的頻繁振動(dòng)會(huì)加速機(jī)床的磨損程度，縮短機(jī)床的壽命，導(dǎo)致工件的精準(zhǔn)程度降低，增加加工過程中的風(fēng)險(xiǎn)。長期以來，機(jī)械制造業(yè)中的噪聲污染相當(dāng)突出，大大超過國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。刺耳的噪聲是工件一刀具系統(tǒng)強(qiáng)烈切削顫振的結(jié)果，它降低了產(chǎn)品的表面質(zhì)量，降低了生產(chǎn)效率和刀具、設(shè)備壽命，增加了材料和能源消耗。

在切削金屬原件時(shí)，顫振是持續(xù)發(fā)生的，機(jī)械加工由于顫振會(huì)嚴(yán)重影響金屬工件的質(zhì)量，因此減少顫振產(chǎn)生的不利影響是提高機(jī)床切削加工的重要方面。為了降低顫振所帶來的不利影響，操作者在切削過程中往往臨時(shí)改變切削的加工方法，然而這種臨時(shí)性的改變必然會(huì)延長加工的時(shí)間，可能會(huì)造成工期的延誤，增加生產(chǎn)的成本。

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)通過采用現(xiàn)代化的機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械加工的規(guī)?；a(chǎn)，因此，解決顫振帶來的不利影響對(duì)提高機(jī)械生產(chǎn)效率起到了至關(guān)重要的作用。機(jī)械化生產(chǎn)在操作和時(shí)間上的可控程度高，在解決顫振問題上人們更多關(guān)注的是提高機(jī)床的使用效率，降低加工時(shí)間。

3 再生顫振理論與減小切削顫振的措施

3.1 再生顫振理論

針對(duì)再生顫振產(chǎn)生的原因，理論界和實(shí)踐界普遍認(rèn)同的是以下解釋：一次切削完成后會(huì)延續(xù)振動(dòng)即振紋，當(dāng)下一次切削開始時(shí)上一次切削延續(xù)的振紋同本次切削會(huì)存在一個(gè)差值，因此而導(dǎo)致切削后的薄厚程度不同而形成的顫振。

3.2 振型耦合理論

切削螺紋時(shí)，從理論上看，后轉(zhuǎn)切削與前傳切削的表面全部分離，沒有重合的部分，因此無法產(chǎn)生再生顫振，但在生產(chǎn)實(shí)踐中也經(jīng)常發(fā)生顫振。因?yàn)榈毒吲c工件在加工過程中行進(jìn)的方向組成了一個(gè)橢圓形，所以顫振同時(shí)發(fā)生在兩個(gè)方向上。由此可見，當(dāng)顫振同時(shí)發(fā)生在方向相反的兩段式，因原有的兩個(gè)振型相互重合也會(huì)產(chǎn)生顫振。聯(lián)系到生產(chǎn)實(shí)踐中，在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)必須要考慮到機(jī)床在不同方向加工時(shí)的承受程度。

3.3 減小切削顫振的措施

進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)以來，人們?cè)跈C(jī)床切削加工上的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)豐富，經(jīng)過大量的生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)，減小切削顫振可以從以下3 個(gè)方面著手：

一是調(diào)整機(jī)床的各個(gè)部件的參數(shù)，包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削寬度和刀具加工角度等。實(shí)際生產(chǎn)中能夠發(fā)現(xiàn)，通過人為的改變主軸的轉(zhuǎn)速，及通過控制切削的速度使之不停的變化能夠盡可能的減少顫振的產(chǎn)生；

二是通過改進(jìn)機(jī)床上的部分部件。由于機(jī)床的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，難以從整體上改進(jìn)，因此可以通過對(duì)機(jī)床床身、立柱等基礎(chǔ)部件的改進(jìn)提高機(jī)床的整體穩(wěn)定程度；

三是適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)刀具的結(jié)構(gòu)。通過增大刀具的阻尼并適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)刀具的結(jié)構(gòu)使之與機(jī)床和零件更加貼合，能夠有效的降低顫振發(fā)生的頻率和幅度。

4 研究切削顫振現(xiàn)象及其控制理論的意義

通過研究顫振產(chǎn)生的原因?yàn)槔碚撗芯肯嚓P(guān)人員探討機(jī)床切削加工理論提供了實(shí)踐基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)械加工理論和機(jī)械工程實(shí)踐的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。從實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域來看，通過控制顫振發(fā)生的頻率和幅度能夠盡可能的減小顫振帶來的危害，一方面能夠?yàn)闄C(jī)床加工人員的身體健康提供保障，另一方面能夠減少元件的損耗，延長機(jī)床的實(shí)用壽命、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)機(jī)床切削加工工藝的長足發(fā)展、增加生產(chǎn)效益、提高經(jīng)濟(jì)收益。

[1]張向慧，賀建蕓.徐紅娟非線性顫振對(duì)于切削加工過程影響初探[期刊論文].機(jī)械工程師，2002(3).

[2]楊堯金屬切削加工中的振動(dòng)分析及控制途徑[期刊論文].工具技術(shù)，2004(3).

[3]何華明，凌燕英.淺談提高機(jī)床穩(wěn)定性的措施[期刊論文].廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械化，2004(3).