切削加工以及切削顫振簡(jiǎn)述

武俊卿

摘要：切削加工作為機(jī)械制造行業(yè)的傳統(tǒng)生產(chǎn)加工工藝，是機(jī)械制造的流程中完成零件制作這一中心環(huán)節(jié)的重要生產(chǎn)技術(shù)，文章介紹了切削加工的基本方法，切削加工使用的刀具以及切削過程中產(chǎn)生的切削顫振和相應(yīng)的控制方法。

關(guān)鍵詞：切削加工；切削；顫振

切削加工是機(jī)械加工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中必要而又值得信賴的技術(shù)手段，這一技術(shù)手段為了能夠跟上市場(chǎng)需求的不停改變，對(duì)切削工具提出了新的要求，而切削刀具日新月異的發(fā)展又促使切削加工成為機(jī)械產(chǎn)品加工眾多環(huán)節(jié)中備受關(guān)注的生產(chǎn)步驟。在切削加工過程中，也存在著大大小小的問題等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和總結(jié)，其中切削顫振就加工生產(chǎn)的主要問題之一，對(duì)切削顫振有一個(gè)細(xì)致的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而采取一定的手段對(duì)其實(shí)施加工控制，是我們一直探索的科研課題。

1 切削加工概述

1.1 切削加工概念

在機(jī)械產(chǎn)品加工生產(chǎn)過程中，按照產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)格、質(zhì)量、工藝等要求，技術(shù)人員需要利用合適的切削工具對(duì)選取材料進(jìn)行切割塑形，這一加工生產(chǎn)程序被稱作為切削加工。

1.2 切削加工的要素

滿足切削加工的要擁有生產(chǎn)的三個(gè)重要因素，切屑刀具、切削運(yùn)動(dòng)和切削角度。簡(jiǎn)單的說，刀具就是進(jìn)行機(jī)械生產(chǎn)加工的重要切割工具；刀具與被切割材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就是切削運(yùn)動(dòng)；刀具自身固有、安裝以及切割金屬時(shí)所參照的切割偏角數(shù)據(jù)，也就是切削角度。由于刀具是直接接觸產(chǎn)品表面的生產(chǎn)工具，產(chǎn)品的表面微觀粗糙程度，大小精確程度和外形都主要取決于刀具，所以刀具自身材料的硬度、柔韌度、抗腐蝕能力以及生產(chǎn)加工質(zhì)量工藝等一系列的問題都會(huì)對(duì)切削加工機(jī)床的生產(chǎn)速度、產(chǎn)品質(zhì)量、以及機(jī)床的使用壽命造成不可忽視的影響，進(jìn)而影響到機(jī)械生產(chǎn)加工行業(yè)的技術(shù)整體水平，還會(huì)涉及到生產(chǎn)廠家的刀具生產(chǎn)信譽(yù)和使用刀具造成的經(jīng)濟(jì)損失。切削加工過程中，刀具對(duì)產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生一定的作用力，根據(jù)物體受力原理，會(huì)有相應(yīng)的反作用力的產(chǎn)生，力的相互作用會(huì)給刀具帶來一定的損耗，造成刀具固有角度的幾何參數(shù)發(fā)生改變，從而對(duì)被加工產(chǎn)品產(chǎn)生影響。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，越來越多的機(jī)械生產(chǎn)加工廠商開始注意到切削加工設(shè)備質(zhì)量的重要性，擁有切削能力強(qiáng)、切削精度高、耐用可靠的切削刀具是機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的保障，也是企業(yè)革新的大勢(shì)所趨，長(zhǎng)久發(fā)展的生存之道。

1.3 切削加工的方法

常見的切削加工方法有很多，其中主要包括車削、磨削、銼削、刮削、鏜削、銑削、刨削等等。雖然切削形式不盡相同，不過在很大程度上這些方法卻遵循著相同的切削生產(chǎn)規(guī)律，演繹著相似的切削生產(chǎn)現(xiàn)象，而如此這些也是相關(guān)科研技術(shù)人員不斷的探索研究切削加工方法的基本理論與依據(jù)。面對(duì)著國(guó)際市場(chǎng)對(duì)機(jī)械加工產(chǎn)品品質(zhì)水準(zhǔn)的提高，加工使用的材料切割難度加大，除了要選用適合的切割刀具以外，還可以采用不同的新式的切削加工辦法，比如說針對(duì)一些導(dǎo)體材料，我們可以采取通電加熱切削；加工鈦合金、耐磨鑄鐵等材料時(shí)可以使用降低切削區(qū)域溫度的方法；絕緣切削、利用稀有氣體做保護(hù)氣切削、超高速切削等許多新式的切削辦法。雖然切削加工的方法多種多樣，其實(shí)無外乎根據(jù)被切割材料特有物理以及化學(xué)性質(zhì)以及切割刀具的性能采用經(jīng)濟(jì)適用、可實(shí)施性較強(qiáng)的切削加工方法。

2 切削顫振產(chǎn)生與危害

切削顫振也稱自激振動(dòng)，它是切削過程中工件和刀具之間自發(fā)產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象，它的出現(xiàn)將會(huì)帶來表面質(zhì)量的下降、刀具的損傷以及噪聲的產(chǎn)生，限制生產(chǎn)率的提高，嚴(yán)重時(shí)甚至使加工過程無法進(jìn)行。為了消除或抑制切削顫振給工業(yè)生產(chǎn)帶來的危害，多年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在顫振的形成機(jī)理、影響因素以及顫振的預(yù)報(bào)與控制等方面做了大量的研究工作，并且也取得了豐碩的研究成果。

伴隨著切削顫振而來的是噪音污染，并且大大的超出了國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，長(zhǎng)時(shí)間在這種環(huán)境中工作的技術(shù)人員會(huì)產(chǎn)生一定的聽覺疲勞，心血管系統(tǒng)疾病，工作效率也會(huì)隨之下降，嚴(yán)重影響身體健康以及正常的工作生活。同時(shí)，切削顫振還會(huì)造成機(jī)械設(shè)備的耗損，縮短機(jī)械設(shè)備的使用壽命，不夠精準(zhǔn)的加工生產(chǎn)設(shè)備當(dāng)然不能制造出高精度、高質(zhì)量的機(jī)械產(chǎn)品。眾多的連環(huán)反應(yīng)就造成了不可避免的加工生產(chǎn)誤差，嚴(yán)重的還會(huì)影響正常的生產(chǎn)加工，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。在機(jī)床上面發(fā)生的自激振動(dòng)類型較多，例如回轉(zhuǎn)主軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)或者彎曲自激振動(dòng)；機(jī)床床身、立柱、橫梁等支撐件的彎曲或扭擺自激振動(dòng)；切屑形成的周期性引起的顫振和整臺(tái)機(jī)床的搖晃。此外還有機(jī)床工作臺(tái)等移動(dòng)部件在低速運(yùn)行時(shí)所發(fā)生的張弛摩擦自激振動(dòng)等等。通常把金屬切削過程中表現(xiàn)在刀具與工件間強(qiáng)烈的相對(duì)振動(dòng)的這種自激振動(dòng)稱為“顫振”。切削過程中形成不連續(xù)切削的周期與工件、刀架或者機(jī)床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的任一部分振動(dòng)的固有周期相同，是產(chǎn)生顫振的主要原因之一。

切削顫振由切削過程中所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)周期性力激發(fā)而引起，并能維持其振動(dòng)不衰減。機(jī)械加工中的顫振是影響機(jī)械產(chǎn)品加工質(zhì)量和機(jī)床切削效率的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。切削顫振疊加在剝離多余金屬必須的工作運(yùn)動(dòng)如切削、進(jìn)給及切入運(yùn)動(dòng)上，并影響刀具乃至機(jī)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(shí)改變切削用量，如降低切削深度等。而這卻妨礙充分利用機(jī)床額定功率，導(dǎo)致加工工時(shí)，即制造成本上升，延誤工期。顫振問題在投資龐大的現(xiàn)代化數(shù)控機(jī)床上尤為值得關(guān)注，因?yàn)檫@類機(jī)床的經(jīng)濟(jì)性建立在其時(shí)間和功效方面的高度利用。

3 切削顫振理論與減小切削顫振的措施

3.1 切削顫振理論

3.1.1 再生顫振理論

目前，對(duì)切削顫振形成的物理原因，主要依據(jù)三種理論進(jìn)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(dòng)位移之間的相位差異導(dǎo)致刀具切削厚度的不同而引起的顫振。

3.1.2 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(tài)下，如在切削螺紋時(shí)，后一轉(zhuǎn)的切削表面與前一轉(zhuǎn)的切削表面完全沒有重疊，但也經(jīng)常發(fā)生顫振。由于這時(shí)刀尖與工作面的相對(duì)軌跡是一個(gè)近似橢圓，顫振同時(shí)產(chǎn)生在兩個(gè)方向。人們由此得出結(jié)論：當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)在兩個(gè)方向上的剛度相接近時(shí)，兩個(gè)固有振型相耦合，因而引起顫振，進(jìn)而提出在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)應(yīng)考慮如何配備機(jī)床各部件在不同方向的剛度。

3.2 減小切削顫振的措施

將主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削寬度以及刀具角度等切削參數(shù)適當(dāng)調(diào)整，即可抑制顫振的發(fā)生。其中最為突出的是改變主軸轉(zhuǎn)速的變速切削，對(duì)顫振的抑制效果顯著。因?yàn)闄C(jī)床整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，控制顫振的理想手段應(yīng)該 可以從其局部部件著手，包括對(duì)機(jī)床床身、立柱等基礎(chǔ)部件的改進(jìn)，以提高機(jī)床的抗振性能；也可以對(duì)機(jī)床的刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的改進(jìn)。新型切斷刀的設(shè)計(jì)思想是建立在增大阻尼的基礎(chǔ)之上，利用顫振理論結(jié)合刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決切削加工中的顫振問題。

4 切削顫振科學(xué)研究的意義

理論上講，通過一代又一代科研人員的辛勤努力，我們可以更加的明晰切削顫振的產(chǎn)生的原因，針對(duì)不同的原因可以構(gòu)思不同的顫振控制理論，為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)；從實(shí)際的加工生產(chǎn)來說，合理的完整的科研理論指導(dǎo)，可以給切削加工工藝帶來不斷的革新，是不可避免的機(jī)械顫振可以變小甚至有一天可以實(shí)現(xiàn)無顫振的美夢(mèng)，也能夠?yàn)闄C(jī)械操作人員提供良好的工作環(huán)境，同時(shí)不至于造成切削工具的損壞，既節(jié)約了能源又提高了加工生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)利益。

5 結(jié)束語

社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快步發(fā)展，人們競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)的增強(qiáng)，深入細(xì)致的了解切削加工過程中產(chǎn)生的刀具、切削顫振系列問題的本質(zhì)特性，通過不斷的科學(xué)探究實(shí)踐，形成完整的科學(xué)理論體系，使機(jī)械制造行業(yè)擁有更加光明的發(fā)展前景。