減少內孔切削時刀具振動的解決途徑和方法

袁禮彬

（常州中車鐵馬科技實業有限公司，江蘇 常州 213125）

引言

在零件內孔車削尤其精車過程中，加工刀具的振動最終會影響到零件的尺寸精度和表面質量，同時也會影響刃具及基礎主軸的壽命，因此在加工中盡可能地避免振刀現象的發生[1]。傳統的機械加工解決刀具振動的最終結果通常會降低制造效率。隨著現代金屬切削加工技術的不斷發展，尤其是現代數控刀具結構的迭代更新，為有效解決內孔切削振動問題提供了新途徑和新方法[2]。

1 采用重金屬/硬質合金刀體減輕振動

阻尼避振刀具技術出現之前，機加工業內普遍采用改變刀體的材料，以達到減輕刀具振動的目的。即把采用普通合金鋼制造的刀體改為采用重金屬制造，或者整體采用硬質合金制造的刀體，如圖1 所示。刀體裝夾懸伸長度與刀體直徑之間產生避振效果的長徑比可達4～6。但許多工程實踐經驗表明，在相同長徑比的情形下，采用重金屬刀體的內孔車削消振效果不如整體硬質合金刀體。表1 所示為各種材質的刀體裝夾懸伸長度與刀體直徑長徑比。

表1 刀體材質與長徑比避振極限

圖1 整體硬質合金刀體

采用重金屬和整體硬質合金制造的刀體，重量增加了許多，價格也貴，總體來看應用并不廣泛。

2 應用阻尼技術避振刀體減輕振動

通常情況內孔切削車刀受力是一個較為復雜的過程，如果僅僅依靠提高刀體的彈性模量難以從根本解決刀具振動問題，同時會降低制造效率以及刀具刃口的安全性。批量生產中，倘若對深孔進行安全有效的加工，則必須采用阻尼避振刀體。

鋼刀體和硬質合金刀體都可以選用帶有減振器的結構，以增大刀體可用的長徑比。

圖2 和圖3 分別是山特維克可樂滿SilentTools和肯納金屬的減振內孔車刀體，分別通過減振塊的徑向或軸向的振動吸收能量。

圖2 山高刀具Silent Tools

SilentTools 的設計包括：一塊浸入特種油狀液體中，由起彈簧作用的橡膠軸襯懸掛的重金屬塊。特種油狀液體將吸收切削過程產生的振動能量，且通過能量轉化將振動能量轉換為熱量。借助于內孔車刀體上的螺釘來調整重金屬塊的慣量，優化振動頻率，調節橡膠軸襯懸架的張力，使減振效果達到最佳狀態。內孔車刀體還設有內冷卻通道，以優化排屑效果。圖3 所示的肯納金屬車刀體則在設計時組合了幾種比較理想的特征：包括高剛性的硬質合金刀體；質量為硬質合金一半的鋼襯套位于內孔車刀體前端，以產生更高的固有頻率（與硬質合金刀柄熱配合）；內孔車刀體前端的槽可以減輕重量，提高固有頻率，減振器組合體衰減振動等。

圖3 肯納金屬減振內孔車刀體

3 選擇合適切削條件減輕振動

3.1 采用90°主偏角有利于減少徑向力，減輕振動

內孔車削刀具的主偏角影響徑向力、軸向力以及合成力的方向和大小。主偏角增大導致軸向切削力增大，而主偏角減小則導致徑向切削力增大。由于軸向切削力朝著機床主軸方向，一般情況不會對加工產生負面影響，因此，選擇較大的主偏角是有利的。

90°主偏角往往是內孔車削的首選，通過鏜體軸直接傳回進給力，使變形和振刀最小化。45°或者75°主偏角內孔車刀徑向力往往會使刀體發生變形，從而導致振刀，見圖4。

圖4 進給力比較

3.2 在徑向切削深度一定情況下，減小刀尖圓弧半徑可減輕振動

在內孔車削工序中，應首選小刀尖半徑。刀尖半徑增大，徑向和切向切削力也會隨之增大，并且，還會帶來加強振動趨勢的隱患。另一方面，刀具在徑向上的偏斜會受到切削深度與刀尖半徑之間相對關系影響，見圖5。

圖5 刀尖圓弧半徑影響

當切削深度小于刀尖半徑時，徑向切削力隨著切削深度的加深而不斷增加。切削深度等于或大于刀尖半徑，徑向偏斜將由主偏角決定。選擇刀尖半徑的經驗法則是刀尖半徑應稍小于切削深度。這樣，可以使徑向切削力最小。同時，在確保徑向切削刀最小的情況下，使用最大刀尖半徑可獲得更堅固的切削刃、更好的表面紋理以及切削刃上更均勻的壓力分布。

3.3 在保持刀具一定耐用度情況下，選擇較小的刀尖角且越小越好

較小的刀尖角度會確保切屑的形狀一致，并增加容屑空間，確保更好的排屑性能。較小的刀尖角，副主偏角較大，副切削刃與被加工面的顫動很難轉化為振動。較大的刀尖角度導致切削刃嚙合量過大，從而導致振動，見圖6。

圖6 刀尖角對切削力影響

3.4 使用正前角刀片槽型

刀片槽型對切削過程有著決定性的影響，內孔加工一般選用切削鋒利、刃口強度高的正前角槽型刀片，以減小內孔車削時的切削力。圖7 是用于內孔車削和鏜削的刀片。刀片的斷屑槽是磨削形成的貫通槽，常規的車刀片斷屑槽一般是通過壓制燒結的封閉槽。磨削的槽比燒結的槽刃口鋒利一些，也是降低切削力的一個方法。

圖7 正前角刀片槽型

采用正前角，具有平穩切削性能槽型的刀片，從而降低切削力，見圖8。PVD 刀片為首選，較薄的涂層可以確保較小的刃口處理。

圖8 軸向與徑向前角對切削力影響

3.5 正確處理車刀刃口

刀片的切削刃倒圓（ER）也會影響切削力。一般，非涂層刀片的切削刃倒圓比涂層刀片（GC）的倒圓要小，特別是在長刀具懸伸和加工小孔時。刀片的后刀面磨損（VB）將改變刀具相對孔壁的后角，并且還可能會成為影響加工過程切削作用的根源。

4 改善刀體的夾持方式從而減輕振動

刀具的夾持穩定性和工件的穩固性在內孔加工中也非常重要，它決定了加工時振動的量級，并決定這種振動是否會加大。刀體的夾緊單元滿足所推薦的長度、表面粗糙度和硬度是非常重要的。刀體的夾緊是關鍵的穩定因素，在實際加工中，刀體會出現偏斜，刀體的偏斜取決于刀體材料、直徑、懸伸、徑向、切向切削力，以及刀體夾緊方式。

對于普通刀體而言，夾緊系統將刀體在圓周上完全夾緊的方式可獲得最高的穩定性。整體支撐要好于螺釘直接夾緊的刀體，用螺釘將刀體夾緊在V型塊上較為適合，但不推薦用螺釘直接夾緊圓柱柄刀體，因為螺釘直接作用在刀體上會損壞刀體。

圖9 是兩種內孔車刀的裝夾方式。前者是用螺釘直接壓住壓力面，后者是通過開口夾套夾緊刀體。采用螺釘壓緊的方式，刀體和孔的接觸面積比較小，刀體的穩定性較差，比較容易出現振動；采用開口夾套的方式則是整個夾套緊緊地箍住刀體，剛性大大加強，抗振性能就好了許多。圖10 是分體式刀座夾持結構，一般用在直徑更大的場合。

圖9 2 點壓緊與多點壓緊比較

圖10 分體式刀座夾持結構

對于提高內孔車刀體抗振性能，推薦如下經驗，可供參考：

1）為了確保內孔車刀體充分地夾緊接觸面積，要求刀座夾持孔表面粗糙度值約為Ra1.0 μm；

2）推薦的夾緊長度為4 d。建議對直徑超過200 mm 的內孔車刀體，由于質量很大，夾緊長度為6 d。

3）使用大直徑內孔車刀體時，可采用兩段式刀座。

4）推薦使用開口襯套來夾持的圓柄內孔車刀體。襯套夾持孔極限偏差為H7，材料最小硬度（HRC）為45（防止永久性變形）。

5 采用內冷方式減輕振動

內孔車削加工中，排屑對于加工效果和安全性能的影響也非常重要，特別是在加工深孔和盲孔時尤為如此。較短的螺旋屑是內孔車削較理想的切屑，該類型切屑比較容易被排出，并且在切屑折斷時不會對切削刃造成大的壓力。

加工時切屑過短，斷屑作用過于強烈，會消耗更高的機床功率，并且會有加大振動的趨勢。而切屑過長會使排屑更困難，離心力將切屑壓向孔壁，殘留的切屑被擠壓到已加工工件表面，就會出現切屑堵塞的風險進而損壞刀具。因此，進行內孔車削時，推薦使用帶內冷的刀具。這樣，切削液將會有效地把切屑排出孔外。加工通孔時，也可用壓縮空氣代替切削液，通過主軸吹出切屑。另外，選擇合適的刀片槽型和切削參數，也有助于切屑的控制和排出。

6 結語

高效率深孔車削加工是一個要求非常棘手的課題，現代金屬切削技術為解決內孔車削振動提供了多種途徑和方法，但在很多場合下，要綜合考慮眾多的切削條件，應合理選擇最適宜的刀具結構，并結合機床自身條件和工件的加工工藝作出正確判定。