基于外溝槽刀的應(yīng)用分析

摘 要：本文通過對外溝槽刀在車削應(yīng)用中的受力和切削過程中的振動分析，指出了在正常的生產(chǎn)條件下，正確和合理使用外溝槽刀的一些意見，并結(jié)合生產(chǎn)實踐，提出了如何正確選擇車削外溝槽刀切削部分的幾何參數(shù)。

關(guān)鍵詞：外溝槽刀 塑性變形 機械振動 消振棱

一、外溝槽刀結(jié)構(gòu)

車削外溝槽刀是以橫向切削為主，前端的切削刃為主切削刃，兩側(cè)的切削刃為副切削刃。其主要用于回轉(zhuǎn)體零件的外溝槽加工，滿足零件設(shè)計的工藝需求。車削切槽刀基本形態(tài)的幾何角度，如圖1所示。

二、加工受力分析

外溝槽刀在切削過程中，需克服切屑的塑性變形、切屑和加工表面的摩擦以及切屑的彈性擠壓力等，所以外溝槽刀加工時切削力主要由以下幾個切削力的合成，如圖2所示。

主切削力Fc——垂直于基面，承受大部分切削力。

背吃刀力Fp——它處于基面內(nèi)，并與進給方向垂直。

進給力Fc——它處于基面內(nèi)與進給方向平行。

三、加工過程中的振動分析

1.車削顫振的機理

車削顫振是機械加工中所特有的現(xiàn)象，當(dāng)所進行的重切削超過某一限度以后，就會發(fā)生激烈的振動。再生效應(yīng)成為產(chǎn)生上述問題的原因：在上一次切削時由于振動所殘留下的起伏波紋，在相繼的切削中被復(fù)制出來，但略有滯后。這種再生顫振是一種典型的由于振動位移延時反饋所導(dǎo)致的動態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象，也是金屬切削機床發(fā)生自激振動的主要機制。

2.外溝槽刀振刀現(xiàn)象分析

在發(fā)生顫振，進行切削加工時，機床振動得比較劇烈，并發(fā)出強烈的噪聲。在加工完之后，從卡盤上面卸下工件，會發(fā)現(xiàn)工件表面有光亮條紋狀的波紋，這些都是發(fā)生顫振的比較明顯的特征。從時域信號來說，顫振時振動的幅值應(yīng)該比正常穩(wěn)定切削狀態(tài)時的振幅有明顯的增大，并且有顫振開始、發(fā)展及充滿三個階段。發(fā)生顫振的頻率一般高于系統(tǒng)的固有頻率，并且顫振的頻率幾乎不隨切削條件的變化而發(fā)生較大的改變。

根據(jù)外溝槽刀的加工工藝路線可以看出，車刀只作橫向進給，割槽車刀切削的是前一轉(zhuǎn)留下的表面。假定在切削過程受到一個瞬時的偶然性擾動，于是刀具和工件之間便會發(fā)生自由振動，振動幅值將因阻尼存在而逐漸衰減，此種振動當(dāng)然會在加工表面上留下一段振紋。當(dāng)工件轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，刀具便會在留有振紋的表面上重復(fù)切削，此時切削厚度將發(fā)生波動，這就有動態(tài)切削力產(chǎn)生。如果各種條件的匹配是促進振動的，其綜合影響就使得工件及刀具系統(tǒng)猶如彈簧一樣，一下被壓縮，一下又恢復(fù)，在平衡位置擺動，產(chǎn)生振紋，外界力越大，懸伸越長，產(chǎn)生的振動越大，噪聲也就越大。

3.外溝槽刀加工振動的抑制

（1）消除或減弱產(chǎn)生自激切削振動的條件。

①減小切削剛度。減小切削剛度，可以降低切削厚度變化效應(yīng)（再生效應(yīng)）的作用，因而有利于提高機床的切削穩(wěn)定性。同時增大切槽刀具的前角，改善切削材料的可加工性，均會使切削剛度減小。

②增加切削阻尼。適當(dāng)減小刀具后角，可以加大工件和刀具后刀面之間的摩擦阻尼，對提高切削穩(wěn)定性是有利的，但刀具后角又不宜取得過小，否則會引起摩擦型顫振，后角取2°～3°較為適當(dāng)，必要時還可在后刀面上磨出帶有負后刀面的消振棱。

（2）合理選擇切削用量。

①切削速度。在相同的進給量下，切削振動和主軸轉(zhuǎn)速有著密切的聯(lián)系，即切削振動和切削速度有著密切的關(guān)系。一般來說，在中等切削速度時，相應(yīng)的振幅A較大，而選擇較高或較低的切削速度時，振幅較小，如圖3。在許多情況下，采用高速切削很有利，既可避免自激振動，又可提高生產(chǎn)率，降低表面粗糙度值。

②進給量。從圖4中我們可以看出，在相同的主軸轉(zhuǎn)速下，切削振動和切削進給量有著密切的聯(lián)系。一般來說，在進給量 f 較小時，振幅A較大，而隨著進給量 f 的增大，振幅A反而減小。

③背吃刀量。背吃刀量是指刀具已加工表面和待加工表面的距離。而割槽刀在進行切削加工時，由于待加工表面是相對于背吃刀量的背面，實際上背吃刀量是一個動態(tài)的變化面，如果背吃刀量大，切削振動就容易產(chǎn)生，反之則反。

（3）合理選擇刀具的幾何參數(shù)。

①應(yīng)盡量選大的正前角。前角越大，排屑越順利，切削越平穩(wěn)，所以選用正前角。在某種情況下，為了提高刀具的耐用度，在刀尖部位可磨出倒棱。通常采用雙前角消振刀，利用第一前面的寬度f來控制刀具和切屑的接觸長度，可顯著減小切削力，對抑制振動有良好的效果。第一前角γ1可正可負（低速時γ1>0，高速時γ1<0），γ1與γ2之間相差15o，如圖5所示。

②盡量選用較小的后角。后角不能過小，后角太小則使后刀面與加工表面之間發(fā)生強烈摩擦，反而容易產(chǎn)生振動。而刀具后角太大或刀刃過分鋒利，刀具易啃入工件，也容易產(chǎn)生振動。而當(dāng)?shù)毒哌m當(dāng)鈍化后，其后刀面有阻止刀具“啃入”工件的作用，可減小或消除振動。因此， 用油石使新刃磨的刀具稍微鈍化（磨出圓弧過渡刃，其半徑r=0.5～2mm，振動大時取小值），或在刀具上磨出卷屑槽、正刃傾角和后面磨出-5o～10o寬度約0.1～0.3mm的倒棱，減小徑向切削力抑制振動，如圖6所示。

③在車削外圓時，刀尖要略高于機床中心高，車刀伸出要盡量短。在車削時刀尖位置過低（低于工件中心），會使得刀尖實際前角減小而后角增大，容易產(chǎn)生振動。此外，為減小振動，也可選用較小的刀尖圓弧半徑，可減小切削力，不易產(chǎn)生振動。

④可選用彈簧車刀。

（4）切削液的選用。在有振動的場合，刀具受沖擊載荷較大，這時要選用黏度較高的切削油。它所形成的潤滑膜承載能力強，可在一定程度上緩和沖擊，提高刀具的耐用度。而低濃度的切削液所形成的潤滑膜承載能力較差，因而不宜用于有震動的場合。

（5）提高工藝系統(tǒng)的抗振性。

①提高工件系統(tǒng)的抗振性。

第一，用三爪或四爪夾緊工件時盡可能使工件回轉(zhuǎn)中心和主軸回轉(zhuǎn)中心的同軸度誤差最小，避免工件傾斜而斷續(xù)切削或不均勻切削造成的周期性變化產(chǎn)生的振動。

第二，加工細而長且容易變形彎曲產(chǎn)生振動的工件時，采用彈性頂尖及輔助支承，同時加冷卻液冷卻，減小工件的膨脹變形。

第三，要盡量使切削力接近工件夾緊處，即在接近加工處夾緊，以減小切削力矩。

第四，使用跟刀架、跟刀架式刀夾、浮動刀夾等，都能明顯提高工件系統(tǒng)的剛度和抗振性能。

②提高刀具系統(tǒng)的抗振性。

第一，加大車刀截面，減小懸伸量，將車刀定位面磨光。

第二，提高刀具的刃磨質(zhì)量。

③提高機床系統(tǒng)的抗振性。

第一，機床主軸軸承間隙直接影響主軸的旋轉(zhuǎn)精度和剛度，使用中如發(fā)現(xiàn)因軸承磨損致使間隙過大、剛度不足時，應(yīng)調(diào)整軸承間隙并施加預(yù)緊力，以增大工件系統(tǒng)的剛度消除振動。

第二，定期檢查中托板與大托板、小刀架與中拖板之間燕尾導(dǎo)軌的接觸情況，調(diào)整斜鑲條使其保持適當(dāng)間隙，避免刀架移動時出現(xiàn)爬行，造成刀架系統(tǒng)的振動。

第三，每次轉(zhuǎn)動四方刀架使刀具轉(zhuǎn)刀到所需要的位置時，應(yīng)壓緊并固定四方刀架，避免四方刀架松動降低刀架系統(tǒng)剛度產(chǎn)生振動。

④采用減振裝置。減振裝置主要有兩大類，一類是消振器，是靠阻尼作用來耗散激振能量，以達到減振的目的；另一類是吸振器，靠吸收激振能量達到減振的目的。

第一，動力式吸振器。它是利用彈性元件把一個附加質(zhì)量塊連接到系統(tǒng)上，利用附加質(zhì)量的動力作用，是彈性元件加在系統(tǒng)的力與系統(tǒng)的激振力相互抵消，以此來減弱振動。

第二，沖擊消振器。它是由一個與振動系統(tǒng)剛性連接的殼體和一個在殼體內(nèi)自由沖擊的質(zhì)量塊組成。當(dāng)系統(tǒng)振動時，由于自由質(zhì)量的往復(fù)運動而沖擊殼體，消耗了振動的能量，故可減小振動，如圖7所示。

1-自由質(zhì)量 2-彈簧 3-螺釘

第三，摩擦消振器。經(jīng)常使用的有固體摩擦阻尼、液體摩擦及電磁阻尼等，如圖8所示。

圖8 摩擦消振器

1—工件 2—四方刀架 3—外溝槽刀 4—消振器

參考文獻：

[1]劉華明.金屬切削刀具設(shè)計簡明手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.