數(shù)控機(jī)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(xué)院，河南 南陽 473000）

我國進(jìn)入21 世紀(jì)以來，各項技術(shù)都獲得十足的發(fā)展，尤其是在數(shù)控技術(shù)方面，不斷朝著智能化以及高精密性的方向繼續(xù)發(fā)展，從而不斷推動我國現(xiàn)代化的進(jìn)程。但是通常數(shù)控機(jī)床在進(jìn)行加工的過程中，雖然刀具與工件之間不會產(chǎn)生較多的關(guān)聯(lián)，但彼此之間會出現(xiàn)比較明顯的周期性往復(fù)運動，也就是刀具與工件之間會產(chǎn)生比較強烈的碰撞現(xiàn)象，從而使數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)不可避免地出現(xiàn)振動現(xiàn)象。在進(jìn)行數(shù)控機(jī)床加工的過程中，要想防止振動現(xiàn)象進(jìn)一步地擴(kuò)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(zhì)量的影響程度。

1 數(shù)控機(jī)床振刀涵義

數(shù)控機(jī)床振刀現(xiàn)象一般指數(shù)控機(jī)床在銑、車、鉆等加工中，如果在實施切削過程中產(chǎn)生不需要的振動現(xiàn)象，會導(dǎo)致加工零件表面出現(xiàn)非常明顯的波動，或者加工中的工件或者刀具產(chǎn)生差異性較大的振動現(xiàn)象時，也會出現(xiàn)數(shù)控機(jī)床振刀的問題。數(shù)控機(jī)床振刀所觸發(fā)的條件較多，比如刀架刀具整體型號不夠合理，機(jī)器使用條件或者零件夾具沒有達(dá)到規(guī)定使用標(biāo)準(zhǔn)等。

當(dāng)數(shù)控機(jī)床在加工過程中出現(xiàn)非常明顯的振動現(xiàn)象時，會使加工物件表面出現(xiàn)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(jīng)過振動的影響后，加工物件會表現(xiàn)出比較明顯的振動痕跡，整個痕跡呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀，從而影響了整個加工物件的質(zhì)量，同時也會使刀具兩面受到不均勻的磨損問題。

一些技術(shù)人員會憑借著豐富的工作經(jīng)驗，通過機(jī)床發(fā)出的聲音進(jìn)行識別，從而判斷振刀現(xiàn)象是否出現(xiàn)。比如可以通過100μm 作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，也就是說當(dāng)機(jī)床振動幅度的聲音超過100μm 時，那么數(shù)控機(jī)床的刀具質(zhì)量會受到影響，長此以往下去會導(dǎo)致刀具出現(xiàn)松落的現(xiàn)象，使數(shù)控機(jī)床無法正常地運行下去。當(dāng)振動幅度低于100μm 時，雖然不會出現(xiàn)刀具松落的現(xiàn)象，數(shù)控機(jī)床也能夠繼續(xù)運行下去，但物件加工的質(zhì)量會受到很大影響，會使加工物件表面出現(xiàn)非常明顯的振動劃痕，無法正常使用，造成比較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在面對數(shù)控機(jī)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(nèi)[1]。

2 數(shù)控機(jī)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(xiàn)為刀具安裝的剛性強度較差，比如刀桿的尺寸沒有達(dá)到規(guī)定要求，導(dǎo)致在加工過程中，刀桿會出現(xiàn)非常明顯的顫動現(xiàn)象。在經(jīng)過長時間的影響下，會使數(shù)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(dāng)?shù)毒叱霈F(xiàn)磨損后就會引起振動。如果機(jī)床上的刀具材料表面出現(xiàn)了剝落的情況并且不及時進(jìn)行處理的話，就很容易出現(xiàn)振刀現(xiàn)象。還有一些因素也會導(dǎo)致刀具發(fā)生振動。例如刀具本身質(zhì)量不合格，或者由于刀具上裝有過大的內(nèi)孔而造成內(nèi)孔內(nèi)有大量的積碳。積碳嚴(yán)重會導(dǎo)致刀具內(nèi)孔堵塞而引起振刀，刀具材料與工件表面直接接觸會導(dǎo)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(xiàn)脫落。如果螺釘螺母沒有按照規(guī)定要求擰緊的話，同時會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的刀具振動現(xiàn)象[2]。

2.2 切削力發(fā)生較大幅度變化

切削層作為數(shù)據(jù)機(jī)床刀具中的一部分，對數(shù)據(jù)機(jī)床的運行產(chǎn)生了重要影響。通常在進(jìn)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(zhì)。這些金屬物質(zhì)通過氧化作用的物理學(xué)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(jìn)一步影響加工物件的表面質(zhì)量。由此可見，當(dāng)?shù)毒弋a(chǎn)生比較嚴(yán)重的切削力變化時，就有可能引發(fā)比較嚴(yán)重的數(shù)控機(jī)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(guān)系，數(shù)值不超過3mm。如果切削力產(chǎn)生明顯的變化，則加工過程中工件不能得到充分的切削，進(jìn)而產(chǎn)生較大的切削阻力，會使機(jī)床振動。另外，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生振動會出現(xiàn)比較大的噪聲，對環(huán)境產(chǎn)生影響。例如：在切削加工過程中經(jīng)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(dāng)金屬切削的切削力較大時在工件上會產(chǎn)生較大的熱量而導(dǎo)致刀具產(chǎn)生振動?；蛘弋?dāng)某一加工物件溫度超過450℃時，就有可能產(chǎn)生振動現(xiàn)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(dǎo)致機(jī)床振動產(chǎn)生較多。

2.3 共振現(xiàn)象的出現(xiàn)

共振現(xiàn)象屬于一種比較常見的物理現(xiàn)象。通常數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工的過程中，在驅(qū)動性作用的影響下，會產(chǎn)生出較為明顯的周期性驅(qū)動力頻率，而且會和自激性的振動頻率產(chǎn)生相同作用，最終引發(fā)比較明顯的共振現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)共振現(xiàn)象后，會立即加大振動的幅度，使刀具發(fā)生非常明顯的改變，同時也嚴(yán)重影響加工物件改造的正常運動軌跡，加工位置也會出現(xiàn)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(zhì)量，產(chǎn)生非常明顯的振紋。

2.4 機(jī)床部件存在“爬行現(xiàn)象”

機(jī)床爬行現(xiàn)象指的是在對零件加工時受環(huán)境上的影響，有時加工零件會產(chǎn)生低速運動的狀態(tài)，呈現(xiàn)出不均勻性的運動軌跡。而造成機(jī)床爬行現(xiàn)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(dāng)機(jī)床加工運行速度下降到某一個數(shù)值后，其臨界速度較慢，出現(xiàn)緩慢的現(xiàn)象，導(dǎo)致加工零件表面出現(xiàn)震顫。另一種是受切削液溫度的影響，當(dāng)切削過程中產(chǎn)生的熱量較高，那么刀具的溫度就會明顯上升，導(dǎo)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(dǎo)致在切削過程中產(chǎn)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(dāng)溫度高于其允許范圍時就會產(chǎn)生振動，因為銑削過程中機(jī)床主軸的運動速度會隨著機(jī)床工作臺運動速度而增加，如果這個速度超出了機(jī)床工作臺運行速度時就會引起振動，因此必須保證機(jī)床主軸在規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運動。為了避免這種情況發(fā)生可以通過對主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)或者加裝冷卻液循環(huán)泵來避免高溫對主軸部件造成破壞[3]。

3 數(shù)控機(jī)床加工過程中振刀現(xiàn)象處理措施

3.1 控制好機(jī)床共振現(xiàn)象

要想加強對數(shù)控機(jī)床共振現(xiàn)象的控制，首要步驟是保證數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量，在對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行安裝時要在相關(guān)的指導(dǎo)下進(jìn)行安裝，提前設(shè)置好固定頻率。其次，為了強化控制效果，需要結(jié)合數(shù)控機(jī)床的實際情況，對其中加工系統(tǒng)的切削參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，防止固有頻率對其造成影響，從而引發(fā)比較嚴(yán)重的共振現(xiàn)象。例如當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)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(zhuǎn)動速度為2000r/min，如果刀具在經(jīng)過移動后接觸角為30%，那么就需要下降刀具的轉(zhuǎn)動速度，可以將其設(shè)置為1500r/min，如果刀具在經(jīng)過移動后接觸角超出了40%，那么這時就需要將刀具轉(zhuǎn)動速度控制在1000r/min 之下。因此，在調(diào)整刀具轉(zhuǎn)動速度時，需要根據(jù)刀具的移動位置來進(jìn)行合理判斷。

當(dāng)所需要的加工零件非常復(fù)雜時，就需要利用高科技的手段進(jìn)行合理規(guī)劃，比如使用相關(guān)的計算機(jī)軟件對數(shù)控機(jī)床刀具的路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，從而使數(shù)控機(jī)床刀具能夠保持在一種恒定負(fù)載以及定接觸角狀態(tài)下進(jìn)行加工。另外，在設(shè)置相關(guān)程序時，需要結(jié)合刀具的運行軌跡來進(jìn)行合理設(shè)置，防止機(jī)床運行受到嚴(yán)重影響，從而引發(fā)比較嚴(yán)重的共振現(xiàn)象。

除此之外，還可以通過對刀具的選擇進(jìn)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(shù)控機(jī)床的加工效率，因此需要加強對刀具的設(shè)計，認(rèn)真考慮刀具的磨損程度以及噪聲程度，對刀具磨損情況進(jìn)行合理分析，找出最合適的刀具構(gòu)造。針對不同的刀具設(shè)計和選用，在使用之前進(jìn)行試驗準(zhǔn)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(yīng)采用單刃或多刃切削；對于大型銑削設(shè)備來講，一般選用雙刃刀、雙刃切削；對于銑削加工工藝復(fù)雜的機(jī)床來說采用多刃的切削方式。一般來說銑削加工工藝復(fù)雜和生產(chǎn)效率較高時宜采用雙刃刀和多刃刀切削；而對于生產(chǎn)效率較低時宜采用單刃刀或多刃刀。在具體數(shù)控加工中應(yīng)選擇質(zhì)量合格、結(jié)構(gòu)合理、使用壽命長、刀具精加工、刀具損耗小和經(jīng)濟(jì)實用等特點的刀具以減少振刀現(xiàn)象。另外，對于需要對數(shù)控工件進(jìn)行精確銑削復(fù)雜工件時，應(yīng)采用雙刃切割技術(shù)、雙刃車削技術(shù)和雙刃銑削技術(shù)等；對于需要對數(shù)控零件進(jìn)行精加工時，應(yīng)采用復(fù)合功能刀具與雙刃車削技術(shù)等。

3.2 提升工件以及刀具剛性能力

在進(jìn)行機(jī)械加工的過程中，如果是對細(xì)長軸型零件進(jìn)行深度加工，那么就必須加強對各種輔助裝置的應(yīng)用，不斷提高其強度和硬度，通常應(yīng)用的設(shè)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(jìn)行固定，防止加工零件出現(xiàn)明顯的彎曲現(xiàn)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(jié)合加工零件的實際情況進(jìn)行不斷調(diào)整。

3.3 調(diào)整機(jī)床的切削效果

首先是需要對切削力以及切削速度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，在數(shù)控機(jī)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(jī)器產(chǎn)生一定影響。在進(jìn)行加工時，刀具所承受的切削力越大，機(jī)器上的轉(zhuǎn)速越高，對系統(tǒng)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(xiàn)斷刀、斷齒等現(xiàn)象。為了減少或避免這種現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)當(dāng)合理選用適當(dāng)?shù)那邢髁扒邢魉俣?；另外還可以根據(jù)加工任務(wù)量對切削力及切削速度進(jìn)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(wù)較為繁重時，應(yīng)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(tǒng)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(fā)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(guān)系密切。通常情況下，水有良好的導(dǎo)熱性；蒸發(fā)或吸收熱量是將液體冷卻至常溫時所必需的物理機(jī)械行為和物理化學(xué)性質(zhì)。也就是說水的純潔性越高，流動性越好；反之水會加速蒸發(fā)并將切削液中所含的熱量帶走。所以在切削過程中應(yīng)盡量避免采用水作為冷卻的介質(zhì)。

3.4 防止“爬行”現(xiàn)象的出現(xiàn)

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(jìn)行保養(yǎng)與維修，或者利用各種潤滑劑進(jìn)行涂抹，使軌道能夠一直保持良好的運動狀態(tài)。當(dāng)軌道表面出現(xiàn)比較嚴(yán)重的磨損問題后，需要立即對其進(jìn)行更換，防止機(jī)床加工運行受到嚴(yán)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(jìn)行改變，防止出現(xiàn)低速運轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

綜上所述，本文主要對數(shù)控機(jī)床加工過程中振刀現(xiàn)象出現(xiàn)的原因以及處理措施進(jìn)行分析研究。一般在數(shù)控加工中所產(chǎn)生的振刀現(xiàn)象極為復(fù)雜，而且所包含的知識內(nèi)容較廣，使得許多操作人員在理解程度上存在誤區(qū)。由于數(shù)控機(jī)床振刀原因有很多種，因此在進(jìn)行處理時需要結(jié)合實際情況，對其運行合理分析，根據(jù)不同情況進(jìn)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(xiàn)象，延長刀具的使用壽命，同時也進(jìn)一步保證加工零件的質(zhì)量，推動我國現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展。