數(shù)控機(jī)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(xué)院，江蘇 常州 213000）

引言

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在高效、高精度、智能化方面有了長足的進(jìn)步。但在機(jī)械加工過程中，由于刀具與工件之間產(chǎn)生周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的振動(dòng)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(dòng)的擴(kuò)大。如果操作不當(dāng)，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致振刀現(xiàn)象的發(fā)生。振刀現(xiàn)象會(huì)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(zhì)量，同時(shí)會(huì)損壞切削刀具，造成噪聲污染。因此，針對(duì)數(shù)控加工過程中振刀現(xiàn)象產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的處理措施，為后續(xù)教學(xué)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(duì)比圖

圖2 車削加工產(chǎn)生的振紋

1 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生振刀問題的原因

一般來說，機(jī)床加工中振刀問題，是由于“機(jī)床-夾具-工件-刀具”組成工藝系統(tǒng)的剛度不足導(dǎo)致[1]。從機(jī)床、夾具、工件、刀具等方面分析機(jī)床產(chǎn)生振刀現(xiàn)象的原因如下：

1.1 機(jī)床在加工過程中產(chǎn)生共振

共振是一種常見的物理現(xiàn)象。機(jī)床在工作中，受到周期性驅(qū)動(dòng)力的頻率與其自身的自激振動(dòng)頻率相同時(shí)，將會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。發(fā)生共振現(xiàn)象導(dǎo)致振動(dòng)幅度加大，因此對(duì)機(jī)床的加工質(zhì)量有很大的影響。共振造成的振幅過大會(huì)改變刀具和工件的正常運(yùn)動(dòng)軌跡，引起二者之間相對(duì)位置發(fā)生偏移。這樣不僅降低了加工表面的質(zhì)量和尺寸精度，還增加了工件表面粗糙程度，甚至出現(xiàn)振紋。

1.2 機(jī)床導(dǎo)軌部件“爬行”現(xiàn)象

機(jī)床運(yùn)行部件在出現(xiàn)低速運(yùn)動(dòng)或者小量位移時(shí)，做非勻速運(yùn)動(dòng)，這一類在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和調(diào)整運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)時(shí)快時(shí)慢的現(xiàn)象，就是我們通常說的機(jī)床爬行。機(jī)床上的機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生爬行的根本原因是摩擦阻力的變化。在實(shí)際機(jī)床運(yùn)行中，運(yùn)行的速度低于某一數(shù)值即臨界速度時(shí)會(huì)產(chǎn)生爬行。此時(shí)加工的工件表面會(huì)發(fā)生震顫，產(chǎn)生振紋[2]。

1.3 工件剛性差

機(jī)械加工過程中，對(duì)細(xì)長軸型的外圓車削加工，工件在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，從而產(chǎn)生擺動(dòng)，這樣極易出現(xiàn)打刀、振刀等問題。同時(shí)，薄壁零件的外圓車削時(shí)，容易發(fā)生裝夾變形，也易出現(xiàn)打刀或者振刀問題。在車削加工不規(guī)則零件過程中，驅(qū)動(dòng)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(huì)引起主軸的撓曲變形，從而引起機(jī)床的振動(dòng)和振刀現(xiàn)象。

1.4 刀具安裝剛性差

如刀桿尺寸太小或伸出過長，會(huì)引起刀桿顫動(dòng)。數(shù)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(huì)導(dǎo)致刀具的振動(dòng)。

1.5 切削力變化大

加工過程中，切削層金屬內(nèi)部出現(xiàn)夾雜、晶粒粗大等缺陷，或加工焊件等；積屑瘤的產(chǎn)生和消失時(shí)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(guī)則時(shí)，切屑時(shí)寬時(shí)窄時(shí)厚時(shí)薄寬而薄。這些都會(huì)引起切削力的急劇變化從而引起機(jī)床振動(dòng)以及振刀現(xiàn)象。

2 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生振刀問題的解決措施

2.1 消減機(jī)床共振的措施

數(shù)控機(jī)床的靜剛度和動(dòng)剛度取決于機(jī)床制造商的設(shè)計(jì)和制造工藝，一臺(tái)安裝好的機(jī)床其固有頻率是固定的。為了盡量預(yù)防機(jī)床加工中的共振問題，加工過程中必須合理安排加工系統(tǒng)的切削參數(shù)，使其能夠有效避開系統(tǒng)的固有頻率而不發(fā)生共振。如圖3 所示，銑削如圖3 所示型腔時(shí)，A 點(diǎn)時(shí)刀具接觸角僅為15%，采用3 000 r/min 轉(zhuǎn)速加工，此轉(zhuǎn)速工作到B 點(diǎn)時(shí)，B 點(diǎn)刀具接觸角增大到40%，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，所以在B 點(diǎn)機(jī)床轉(zhuǎn)速需要降至2 000 r/min，同樣，以此轉(zhuǎn)速工作到C 點(diǎn)時(shí)，又發(fā)生了較強(qiáng)烈的振動(dòng)，因?yàn)榇藭r(shí)C 點(diǎn)刀具接觸角增大到了50%，因此在C 點(diǎn)宜采用1 000 r/min 進(jìn)行加工。倘若采用1 000 r/min的轉(zhuǎn)速持續(xù)工作，則不會(huì)存在B、C 這種共振點(diǎn)，但會(huì)降低生產(chǎn)效率[3-4]。

圖3 不同位置的刀具接觸角和轉(zhuǎn)速

在加工復(fù)雜外形或型腔的工件，需要使用軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)刀具路徑規(guī)劃，這樣能實(shí)現(xiàn)恒定負(fù)載和定接觸角狀態(tài)進(jìn)行加工。否則，在編程時(shí)需要考慮刀具運(yùn)行軌跡并采用適宜的切削參數(shù)。在機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)，需要時(shí)刻注意機(jī)床工作動(dòng)態(tài)，避免因共振產(chǎn)生而產(chǎn)生振刀現(xiàn)象。

此外，通過采用一些非標(biāo)刀具也能達(dá)到抑制機(jī)床共振的目的。如數(shù)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(gè)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(shí)間間隔也就越長，在加工過程中產(chǎn)生的頻率范圍也就越廣，與機(jī)床-刀具-夾具間的固有頻率產(chǎn)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(xiàn)象的措施方法

對(duì)導(dǎo)軌定期地檢測(cè)及保養(yǎng)，并提供一個(gè)良好的潤滑環(huán)境，保護(hù)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)面；導(dǎo)軌磨損后需要及時(shí)地維修或者更換，來保障機(jī)床的運(yùn)行；加工過程中，刀具編程軌跡采用平滑過渡，避免導(dǎo)軌的急加速急減速運(yùn)行和低速運(yùn)行。

2.3 解決工件、刀具剛性不足的措施方法

機(jī)械加工過程中，對(duì)細(xì)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(duì)于薄壁零件需采用專用工夾具夾持，防止其發(fā)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(shù)控車床車刀墊鐵要平整，數(shù)量愈少愈好，而且墊鐵應(yīng)與刀架對(duì)齊，刀位必須清理干凈；加工初期要進(jìn)行試切削來調(diào)整切削速度、切深、進(jìn)給量。

2.4 解決切削力變化的措施方法

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

3 結(jié)語

數(shù)控加工過程中產(chǎn)生的振刀現(xiàn)象較為復(fù)雜，另外，日常教學(xué)過程，由于部分學(xué)生操作不規(guī)范，容易導(dǎo)致振刀現(xiàn)象的發(fā)生，這就需要在日常教學(xué)過程中不斷地分析和總結(jié)，根據(jù)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(zhì)量，提高教學(xué)水平，創(chuàng)造良好教學(xué)環(huán)境。