數控機床加工過程中的振刀原因及處理措施

周 青

（江蘇省常州技師學院，江蘇 常州 213000）

引言

隨著數控技術的發展，數控機床在高效、高精度、智能化方面有了長足的進步。但在機械加工過程中，由于刀具與工件之間產生周期性往復運動，數控機床系統的振動不可避免。在加工過程中，通過合理地使用夾具、刀具和程序等因素，能夠避免振動的擴大。如果操作不當，振動會導致振刀現象的發生。振刀現象會影響工件的幾何形狀和尺寸精度，在工件表面形成振紋（見圖1、圖2），影響工件的表面質量，同時會損壞切削刀具，造成噪聲污染。因此，針對數控加工過程中振刀現象產生原因進行分析，并提出相應的處理措施，為后續教學過程中解決振刀問題提供參考。

圖1 銑削加工正常工件與振刀工件對比圖

圖2 車削加工產生的振紋

1 數控機床產生振刀問題的原因

一般來說，機床加工中振刀問題，是由于“機床-夾具-工件-刀具”組成工藝系統的剛度不足導致[1]。從機床、夾具、工件、刀具等方面分析機床產生振刀現象的原因如下：

1.1 機床在加工過程中產生共振

共振是一種常見的物理現象。機床在工作中，受到周期性驅動力的頻率與其自身的自激振動頻率相同時，將會發生共振現象。發生共振現象導致振動幅度加大，因此對機床的加工質量有很大的影響。共振造成的振幅過大會改變刀具和工件的正常運動軌跡，引起二者之間相對位置發生偏移。這樣不僅降低了加工表面的質量和尺寸精度，還增加了工件表面粗糙程度，甚至出現振紋。

1.2 機床導軌部件“爬行”現象

機床運行部件在出現低速運動或者小量位移時，做非勻速運動，這一類在進給運動和調整運動中出現時快時慢的現象，就是我們通常說的機床爬行。機床上的機械系統產生爬行的根本原因是摩擦阻力的變化。在實際機床運行中，運行的速度低于某一數值即臨界速度時會產生爬行。此時加工的工件表面會發生震顫，產生振紋[2]。

1.3 工件剛性差

機械加工過程中，對細長軸型的外圓車削加工，工件在轉動過程中，會產生彎曲變形，從而產生擺動，這樣極易出現打刀、振刀等問題。同時，薄壁零件的外圓車削時，容易發生裝夾變形，也易出現打刀或者振刀問題。在車削加工不規則零件過程中，驅動力往往都不是作用在工件的重心，因而在高速切削條件下，會引起主軸的撓曲變形，從而引起機床的振動和振刀現象。

1.4 刀具安裝剛性差

如刀桿尺寸太小或伸出過長，會引起刀桿顫動。數控車床車刀墊鐵不平整，或鎖緊螺釘沒有按要求壓緊，同樣會導致刀具的振動。

1.5 切削力變化大

加工過程中，切削層金屬內部出現夾雜、晶粒粗大等缺陷，或加工焊件等；積屑瘤的產生和消失時刻改變切削過程中刀具前角及切削層橫截面積；加工表面不規則時，切屑時寬時窄時厚時薄寬而薄。這些都會引起切削力的急劇變化從而引起機床振動以及振刀現象。

2 數控機床產生振刀問題的解決措施

2.1 消減機床共振的措施

數控機床的靜剛度和動剛度取決于機床制造商的設計和制造工藝，一臺安裝好的機床其固有頻率是固定的。為了盡量預防機床加工中的共振問題，加工過程中必須合理安排加工系統的切削參數，使其能夠有效避開系統的固有頻率而不發生共振。如圖3 所示，銑削如圖3 所示型腔時，A 點時刀具接觸角僅為15%，采用3 000 r/min 轉速加工，此轉速工作到B 點時，B 點刀具接觸角增大到40%，此時會產生劇烈振動，所以在B 點機床轉速需要降至2 000 r/min，同樣，以此轉速工作到C 點時，又發生了較強烈的振動，因為此時C 點刀具接觸角增大到了50%，因此在C 點宜采用1 000 r/min 進行加工。倘若采用1 000 r/min的轉速持續工作，則不會存在B、C 這種共振點，但會降低生產效率[3-4]。

圖3 不同位置的刀具接觸角和轉速

在加工復雜外形或型腔的工件，需要使用軟件進行動態刀具路徑規劃，這樣能實現恒定負載和定接觸角狀態進行加工。否則，在編程時需要考慮刀具運行軌跡并采用適宜的切削參數。在機床進行加工時，需要時刻注意機床工作動態，避免因共振產生而產生振刀現象。

此外，通過采用一些非標刀具也能達到抑制機床共振的目的。如數控銑加工過程中采用的不等分銑刀和不等距銑刀。不等分銑刀如圖4 所示，四個外周切削刃各相鄰切削刃夾角不相等，所以各外周切削刃與工件接觸的時間間隔也就越長，在加工過程中產生的頻率范圍也就越廣，與機床-刀具-夾具間的固有頻率產生共振的幾率也就越小，所以能很好地抑制共振。

圖4 不等分平底銑刀

2.2 解決“爬行”現象的措施方法

對導軌定期地檢測及保養，并提供一個良好的潤滑環境，保護導軌的運動面；導軌磨損后需要及時地維修或者更換，來保障機床的運行；加工過程中，刀具編程軌跡采用平滑過渡，避免導軌的急加速急減速運行和低速運行。

2.3 解決工件、刀具剛性不足的措施方法

機械加工過程中，對細長軸型零件加工，必須采用頂尖按、中心架、跟刀架等輔助裝置提高其剛度；對于薄壁零件需采用專用工夾具夾持，防止其發生彎曲變形。刀具在滿足使用要求的情況下，伸出長度要盡量短；數控車床車刀墊鐵要平整，數量愈少愈好，而且墊鐵應與刀架對齊，刀位必須清理干凈；加工初期要進行試切削來調整切削速度、切深、進給量。

2.4 解決切削力變化的措施方法

對于偏心工件、斷續切削工件以及焊接工件的加工，理論上都存在斷續切削過程，在這樣的切削條件下,為了避免振刀和打刀現象的發生，除了需要采用整體式立方氮化硼刀片進行加工外，加工剛開始的切削速度、進給率要慢些，等到圓整以后，再適當快些。對表面有缺陷工件，開始時背吃刀量盡可能要大一些，而后適當可以減小。

3 結語

數控加工過程中產生的振刀現象較為復雜，另外，日常教學過程，由于部分學生操作不規范，容易導致振刀現象的發生，這就需要在日常教學過程中不斷地分析和總結，根據不同情況分析原因，采取措施加以消除和控制，以保證加工工件的質量，提高教學水平，創造良好教學環境。