研究機械加工中切削加工及切削顫振

【關鍵詞】加工；研究；刀具；機床；振動；技術；制造；發展；零件；產生

機械制造業在整個國民經濟中占有十分重要的地位，而其中金屬切削加工是基本而又可靠的精密加工手段，在機械、電機、電子等各種現代產業部門中都起著重要的作用。工具的設計、制造和使用自古以來就很受重視，這里我們所說的工具，不僅僅指進行機械加工的機床，我們更關心的是直接進行切削加工的刀具。刀具是推動金屬切削加工技術發展的一個極為活躍而又十分關鍵的因素，可以說切削加工技術發展、革新的歷史就是刀具發展的歷史。

一、切削加工的重要作用與刀具

機械制造的核心是零件的制作。制造機械零件的方法大致可分為成形制造和加工制造，成形制造包括鑄造、鍛造、焊接等工藝，一般用于毛坯的制造。近年來開發的精確成形或稱凈成形工藝，如精鑄、精鍛等也可用于半成品和成品的制造。快速原型制造用于模型的制造，與其它技術相結合，也可用于制造金屬零件。加工制造包括切削、磨削等常規工藝，也包括激光束加工、電子束加工、電化學加工等特種工藝。在所有這些方法中，切削加工至今仍然是并且在可以預見的將來仍將是零件制作的最基本的工藝技術之一。

刀具性能和質量直接影響到數百萬臺機床生產效率的高低和加工質量的好壞。直接影響到整個機械制造業的生產技術水平和經濟效益。金屬切削加工是用刀具從工件表面切除多余的金屬材料，從而獲得在幾何形狀、尺寸精度、表面粗糙度及表面質量等方面均符合要求的零件的一種加工方法。其核心問題是刀具切削部分與工件表層的相互作用，即刀具的切削作用和工件的反切削作用。這是切削加工中的主要矛盾，而刀具的切削作用則是矛盾的主要方面。從近年來工具行業的發展看，切削刀具在生產活動中的作用正越來越受到企業的重視。隨著數控加工設備與高性能加工刀具技術的發展，高速切削和超高速切削已成為當前切削技術的重要發展趨向，這就要求刀具的可靠性高，切削性能好，能穩定地斷屑和卷屑，精度高，并能快換或自動更換等。因此，對刀具材料、刀具結構以及刀具的裝夾都提出了更高的要求。

二、切削顫振產生與危害

在生產實踐中，一般來說機床的振動是不希望產生的。這是因為振動所產生的噪聲能刺激操作工人引起疲勞，降低工作效率.并且它又能使機床零件過早出現疲勞破壞，從而使零件的安全程度、可靠性和強度下降，機床的振動還會導致被加工工件的精度降低，刀具壽命和生產率下降。在機床上面發生的自激振動類型較多，例如回轉主軸（或與工件聯系、或與刀具聯系）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（通稱爬行）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上。長期以來，機械制造業中的噪聲污染相當突出，大大超過國家環保標準。刺耳的噪聲是工件—刀具系統強烈切削顫振的結果，它降低了產品的表面質量，降低了生產效率和刀具、設備壽命，增加了材料和能源消耗。同時會誘發長期在這種環境下工作的人們的心血管等系統疾病，嚴重危害人們的身心健康。

三、切削顫振理論與減小切削顫振的措施

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。

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。

研究切削顫振現象及其控制理論的意義在于：可使人們更加深入地認識切削顫振的物理本質，從而發展控制理論及相關技術，促進機械工程的發展。其實踐意義則在于：采用切削顫振的控制技術及手段，可大大減輕甚至消除切削顫振及其所帶來的各種不良影響，極大地改善人們的工作環境，提高工作效率，減少切削能源的消耗，提高刀具和設備的使用壽命，并將產生直接或間接的經濟效益和社會效益。

眾所周知，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。

參考文獻：

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