機床切削加工及切削顫振

張廣為，申 林

沈陽機床股份有限公司中捷機床有限公司，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

機械制造過程中最關鍵的步驟是零件的制作。制作毛坯時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，是近些年來出現的新工藝，加工半成品或成品時一般采用精確成形工藝，通過精鑄、精鍛的方式加工完成。制造模型或經書零件時一般采用快速原型制造工藝。切削、磨削是傳統的加工制造方式，除此之外機床切削加工方式還包括激光束加工、電子束加工、電化學加工等工藝。現今，傳統加工方式中切削工藝是最重要的加工方式，在未來的幾年內還將在零件加工領域發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床的生產效率，保證加工出的產品質量。因此，提高刀具的性能對機械制造業的生產水平和經濟效益的提高起著至關重要的作用。

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

隨著工具加工行業的迅猛發展，相關企業越來越重視切削刀具在生產加工過程中發揮的重要作用。新產品和新科技的使用加速了刀具切削工藝的革新進程，數控機床等高性能的加工刀具技術開始投放生產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生產加工的要求程度更高，要求切削的穩定性高，精準程度更加精確，刀具能夠實現快速更換，甚至是自動更換。機床切削加工未來的發展趨勢迫切要求刀具在材料、結構和性能上的質量更高。

2 切削顫振產生與危害

2.1 切削顫振產生的原因

當出現以下幾種情形時機床會產生自激振動：一是工件或是刀具同回轉主軸相互連接時因為扭轉和彎曲而產生了自激振動；二是在工件切削過程中因為工件的周期性運動而造成的機床整體性自激振動；三是在工件切削過程中慢速加工時，機床會隨之與地面產生緩慢的摩擦而產生的自激振動。

顫振指的是在金屬工件的加工過程中，刀具同工件因為相互加工摩擦而產生的自激振動。產生顫振的原因是在金屬工件的切削過程中，工件、刀具和機床因為相互作用形成間斷而有規律性的振動。

2.2 切削顫振的危害

在實際生產活動中，一旦機床產生振動，會產生巨大的噪聲。長時間以來，機械生產中產生的大規模噪聲遠遠超過了人體能夠承受的健康程度，一方面長時間工作在噪聲大的生產環境中會使操作人員較易產生疲勞感，甚至會誘發心腦血管疾病，降低工作效率；另一方面，機床的頻繁振動會加速機床的磨損程度，縮短機床的壽命，導致工件的精準程度降低，增加加工過程中的風險。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。刺耳的噪聲是工件一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。

在切削金屬原件時，顫振是持續發生的，機械加工由于顫振會嚴重影響金屬工件的質量，因此減少顫振產生的不利影響是提高機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改變切削的加工方法，然而這種臨時性的改變必然會延長加工的時間，可能會造成工期的延誤，增加生產的成本。

現代工業生產通過采用現代化的機床能夠實現機械加工的規模化生產，因此，解決顫振帶來的不利影響對提高機械生產效率起到了至關重要的作用。機械化生產在操作和時間上的可控程度高，在解決顫振問題上人們更多關注的是提高機床的使用效率，降低加工時間。

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

針對再生顫振產生的原因，理論界和實踐界普遍認同的是以下解釋：一次切削完成后會延續振動即振紋，當下一次切削開始時上一次切削延續的振紋同本次切削會存在一個差值，因此而導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，從理論上看，后轉切削與前傳切削的表面全部分離，沒有重合的部分，因此無法產生再生顫振，但在生產實踐中也經常發生顫振。因為刀具與工件在加工過程中行進的方向組成了一個橢圓形，所以顫振同時發生在兩個方向上。由此可見，當顫振同時發生在方向相反的兩段式，因原有的兩個振型相互重合也會產生顫振。聯系到生產實踐中，在設計機床時必須要考慮到機床在不同方向加工時的承受程度。

3.3 減小切削顫振的措施

進入工業化生產以來，人們在機床切削加工上的實際生產經驗相當豐富，經過大量的生產實踐總結，減小切削顫振可以從以下3 個方面著手：

一是調整機床的各個部件的參數，包括主軸轉速、進給量、切削寬度和刀具加工角度等。實際生產中能夠發現，通過人為的改變主軸的轉速，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生；

二是通過改進機床上的部分部件。由于機床的結構相當復雜，難以從整體上改進，因此可以通過對機床床身、立柱等基礎部件的改進提高機床的整體穩定程度；

三是適當的改進刀具的結構。通過增大刀具的阻尼并適當的改進刀具的結構使之與機床和零件更加貼合，能夠有效的降低顫振發生的頻率和幅度。

4 研究切削顫振現象及其控制理論的意義

通過研究顫振產生的原因為理論研究相關人員探討機床切削加工理論提供了實踐基礎，對機械加工理論和機械工程實踐的發展起到了至關重要的作用。從實際生產領域來看，通過控制顫振發生的頻率和幅度能夠盡可能的減小顫振帶來的危害，一方面能夠為機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，延長機床的實用壽命、降低生產成本、提高生產效率，促進機床切削加工工藝的長足發展、增加生產效益、提高經濟收益。

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

[3]何華明，凌燕英.淺談提高機床穩定性的措施[期刊論文].廣西農業機械化，2004(3).