數(shù)控機(jī)床加工中振刀問題出現(xiàn)的原因及處理措施研究

王 戰(zhàn)

（江蘇省宿遷經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，宿遷 223600）

在數(shù)控機(jī)床加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)振刀現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了加工質(zhì)量和效率。振刀問題指加工過程中刀具出現(xiàn)不規(guī)則的振動或波紋痕跡，使得工件表面出現(xiàn)質(zhì)量缺陷、加工尺寸偏差增大等問題，甚至可能導(dǎo)致刀具損壞。振刀現(xiàn)象的產(chǎn)生是加工系統(tǒng)剛性不足、切削工況不穩(wěn)定、夾持力不均勻等多種因素共同作用的結(jié)果。基于此，總結(jié)和歸納已有研究成果，結(jié)合工作實(shí)踐分析振刀產(chǎn)生的主要原因，提出相應(yīng)的處理對策，以提高數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量和效率，推動制造業(yè)的發(fā)展。

1 數(shù)控機(jī)床加工過程振刀的原因

1.1 加工過程存在單擺共振

數(shù)控機(jī)床加工過程中振刀的常見原因是加工系統(tǒng)出現(xiàn)單擺共振。單擺共振指加工系統(tǒng)中某些部件的固有頻率與激勵頻率相近而引起共振現(xiàn)象。共振現(xiàn)象會導(dǎo)致機(jī)床結(jié)構(gòu)和工具刀具的振動幅度急劇增大，使得加工過程中產(chǎn)生的振動超出正常范圍，從而對刀具、工件和機(jī)床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響。由于振動幅度增大，工件和刀具在共振狀態(tài)下容易產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致加工軌跡偏離預(yù)定位置，進(jìn)而影響加工精度和表面質(zhì)量。共振會使得刀具與工件之間的相對運(yùn)動不穩(wěn)定，從而在工件表面產(chǎn)生振痕、振紋等，導(dǎo)致表面光潔度和質(zhì)量下降。由振動引起的加工軌跡偏移和表面不均勻性，會顯著增加工件表面的粗糙度，影響其功能和外觀質(zhì)量。

導(dǎo)致單擺共振的主要因素分為4 點(diǎn)。第一，剛性不足。加工系統(tǒng)中，剛性不足會引起切削力的反饋效應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生共振現(xiàn)象。第二，切削參數(shù)不合理。切削參數(shù)包括刀具類型、進(jìn)給速度和切削深度等，若選擇的刀具沒有匹配好或者切削參數(shù)設(shè)置不合理，容易導(dǎo)致共振。第三，工件夾持力不均勻。工件夾持力分布不均勻會導(dǎo)致工件在加工過程中不穩(wěn)定，從而引發(fā)共振問題[1]。第四，切削力過大。當(dāng)切削力超出機(jī)床所能承受的范圍，會引發(fā)共振。

1.2 機(jī)床部件爬行

機(jī)床部件的爬行指在機(jī)床加工過程中，由于機(jī)床結(jié)構(gòu)和零件裝配不合理以及材料的熱膨脹等因素，導(dǎo)致機(jī)床各個部件發(fā)生微小位移和變形。這些位移和變形會引起切削力分布不均勻，使得刀具和工件之間的相對位置發(fā)生變化，進(jìn)而引發(fā)振刀現(xiàn)象。刀具和工件之間的相對位移會造成加工尺寸偏差，降低加工件的精度[2]。振刀現(xiàn)象會增加切削力沖擊，對刀具造成額外負(fù)荷，加劇切削工具的磨損，縮短其使用壽命。

1.3 切削力變化幅度大

切削層指在切削過程中被去除的材料層厚度，即刀具與工件之間的可切削材料的厚度。通過刀具對工件的切削力進(jìn)行切削工作，移除相應(yīng)厚度的材料，從而達(dá)到所需的加工效果。切削力決定切削過程中刀具對材料的剪切力大小。當(dāng)切削力增大時，可以推動更多材料進(jìn)入切削區(qū)域，增加切削層厚度，因此切削力和切削層是一個相互作用的過程。工件加工過程中，切削力的突變會引起機(jī)床系統(tǒng)的動態(tài)不平衡，使得工件、刀具、夾具等零部件受到不均勻力的作用，引起振刀。通常情況下，引發(fā)切削力變化較大的原因是在切削層金屬內(nèi)出現(xiàn)雜質(zhì)、晶粒粗大等情況。當(dāng)切削加工的表面呈現(xiàn)不規(guī)則情況時，會引發(fā)切削力變化。

當(dāng)切削力作用于刀具時，刀桿會發(fā)生彎曲或撓曲，形成彈性變形。但是，隨著切屑斷掉，切削力減小，刀桿的彈性變形也會逐漸恢復(fù)。在這個過程中，切削力會發(fā)生規(guī)律變化，其變化規(guī)律與刀具形狀、切削參數(shù)、工件材料的物理力學(xué)性質(zhì)等因素密切相關(guān)。當(dāng)切削力的頻率接近機(jī)床和工具系統(tǒng)的固有頻率時，容易出現(xiàn)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致表面質(zhì)量下降，加工精度降低。

1.4 工件剛性不足

數(shù)控機(jī)床加工過程中，剛性不足會導(dǎo)致工件變形或者擺動，進(jìn)而引起刀具振動。選擇的工件材料強(qiáng)度或韌性不足，會導(dǎo)致切削過程中無法提供足夠的支撐力。工件加工前可能存在殘余應(yīng)力，當(dāng)切削力作用在工件上時，殘留應(yīng)力會造成工件發(fā)生形狀變化，從而引起振刀現(xiàn)象[3]。工件固定方式不合理或夾具剛性不足，無法提供足夠的剛性支撐，會導(dǎo)致振刀問題。另外，切削速度、進(jìn)給速度和切削深度等加工參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，超出工件本身的承載能力，也會引起振刀現(xiàn)象。

2 數(shù)控機(jī)床加工過程振刀的處理對策

2.1 控制機(jī)床單擺共振

機(jī)床加工系統(tǒng)的固有頻率與外界激勵頻率匹配時，系統(tǒng)會發(fā)生共振現(xiàn)象，影響加工表面質(zhì)量和工具壽命。為了處理共振問題，可以考慮進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)速或者采用其他方式抑制振動，如減小切削深度、增加切削液的冷卻效果等。另外，共振問題不僅與加工參數(shù)有關(guān)，還與機(jī)床的設(shè)計(jì)和剛度等因素密切相關(guān)。因此，預(yù)防共振問題需要綜合考慮機(jī)床的靜剛度、動剛度以及制造商的設(shè)計(jì)和制造工藝等[4]，正確選擇和使用合適的機(jī)床，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)和保養(yǎng)。

在傳統(tǒng)的刀具路徑規(guī)劃中，通常會根據(jù)加工輪廓和機(jī)床的運(yùn)動特性來確定靜態(tài)的刀具路徑。對于復(fù)雜的外形或型腔，靜態(tài)路徑規(guī)劃可能無法有效消除刀具與工件之間的振動，導(dǎo)致共振問題。動態(tài)刀具路徑規(guī)劃通過分析和考慮刀具的動力學(xué)響應(yīng)及工件的幾何形狀等因素，能夠在加工過程中保持刀具與工件的恒定負(fù)載和定接觸角狀態(tài)。具體來說，動態(tài)刀具路徑規(guī)劃可以根據(jù)刀具的運(yùn)動狀態(tài)和工件表面的幾何特征，合理調(diào)整刀具的進(jìn)給速度、切削深度和切削軌跡，從而避免刀具與工件之間的振動或共振。同時，動態(tài)刀具路徑規(guī)劃需要依賴相應(yīng)的軟件和算法支持。軟件和算法通常基于刀具力學(xué)模型、工件幾何模型、切削參數(shù)等進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化。為了確保實(shí)際的加工效果，動態(tài)規(guī)劃刀具路徑前，需要對機(jī)床和刀具等硬件設(shè)備進(jìn)行合理的校準(zhǔn)和調(diào)整[5]。

使用非標(biāo)刀具可以改變切削過程的切削力分布，從而改變機(jī)床-工件-刀具的系統(tǒng)動力學(xué)特性，減小切削過程中共振的可能性。不等分銑刀和不等距銑刀的設(shè)計(jì)特點(diǎn)能夠在一定程度上將切削力和激振力分散到更廣的頻率范圍，降低與機(jī)床固有頻率吻合的可能性，進(jìn)而減小共振的風(fēng)險(xiǎn)。此外，非標(biāo)刀具的幾何形狀和切削參數(shù)可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來減小切削力和共振的影響。例如，在設(shè)計(jì)不等分銑刀時，可以采用交替不等分的刀齒形狀，使刀具在切削過程中的激振力相互抵消，降低共振概率。選擇合適的非標(biāo)刀具應(yīng)根據(jù)具體的加工工藝和機(jī)床條件，以確保其能夠有效抑制機(jī)床共振并提升加工質(zhì)量。

為避免機(jī)床單擺共振現(xiàn)象，還可以從3 方面入手。首先，增加結(jié)構(gòu)剛度。采用更堅(jiān)固、更穩(wěn)定的材料，增加機(jī)床的壁厚，降低共振頻率，減少共振的可能性。其次，加強(qiáng)阻尼控制。在機(jī)床系統(tǒng)中增加阻尼元件，如液壓緩沖器或摩擦阻尼器，以吸收能量并降低振動幅值，降低共振現(xiàn)象的影響。最后，優(yōu)化控制系統(tǒng)。加快控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加濾波器的滯后補(bǔ)償?shù)龋瑢?shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化。

2.2 防止機(jī)床部件爬行

為了防止機(jī)床部件的爬行，有效處理振刀問題，首先要定期檢查導(dǎo)軌表面是否有明顯磨損、凹坑或劃痕等，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)和維護(hù)。同時，定期清潔導(dǎo)軌，清除積塵和異物，確保導(dǎo)軌表面的平整度和光滑度。其次，導(dǎo)軌的潤滑對于減少摩擦和磨損非常重要，在使用過程中應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)臐櫥瑒６ㄆ跈z查潤滑系統(tǒng)的工作狀態(tài)，確保潤滑劑的供給和質(zhì)量，以保證導(dǎo)軌的潤滑效果和工作壽命。再次，對于小范圍的磨損，可以采取局部修復(fù)的方式，如使用磨削、刮痕或鑲嵌方式進(jìn)行修復(fù)。對于嚴(yán)重磨損或者無法修復(fù)的情況，需要及時更換導(dǎo)軌，保障機(jī)床的運(yùn)行和加工精度。最后，在編寫數(shù)字計(jì)算機(jī)控制（Numerical Control，NC）程序時，應(yīng)提前規(guī)劃好刀具路徑，盡量保持平滑過渡?？梢酝ㄟ^合理的插補(bǔ)方式，如圓弧插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)等，實(shí)現(xiàn)刀具在運(yùn)動過程中的平穩(wěn)過渡，減少突變。在刀具路徑插補(bǔ)中，可以使用平滑過渡函數(shù)，如S 曲線插補(bǔ)、加減速插補(bǔ)等。通過平滑過渡刀具的速度和加減速度，減少機(jī)床部件的振動現(xiàn)象，提升切削加工的穩(wěn)定性和精度。

2.3 調(diào)整機(jī)床削切參數(shù)

調(diào)整切削力和切削速度是確保機(jī)床正常運(yùn)行和避免振刀現(xiàn)象的重要措施。通常情況下，切削力與切削速度呈正比，加大切削力會導(dǎo)致機(jī)床的負(fù)荷增加，而切削速度過快可能會造成刀具折斷或斷齒。因此，在確定切削參數(shù)時，需要綜合考慮加工要求、刀具耐用性和機(jī)床負(fù)荷等因素。首先，避免低速度切削。在切斷過程中，應(yīng)避免采用過低的切削速度，因?yàn)榈退偾邢骺赡軐?dǎo)致切削力下降，從而引起滑動摩擦的“跳刀”式振動。其次，控制進(jìn)給量。過大的進(jìn)給量可能導(dǎo)致切削力集中，引起振動和工件變形，而過小的進(jìn)給量則可能降低加工效率。因此，應(yīng)將進(jìn)給量控制在0.15～0.3 mm·r-1，避免切削力下降導(dǎo)致振刀。再次，在加工偏心工件時，初期的切削速度和進(jìn)給率應(yīng)相對較低，以避免切削過程不穩(wěn)定。等工件圓整后，適當(dāng)增大切削速度和進(jìn)給率，提高加工效率。最后，對于表面存在缺陷的工件，初期可以增大背吃刀量，盡可能消除或修整工件表面的缺陷。隨著加工的進(jìn)行建議逐漸減小背吃刀量，使加工過程更加平穩(wěn)。

2.4 設(shè)計(jì)使用減振刀具

為了有效處理數(shù)控機(jī)床加工過程中振刀問題，可以設(shè)計(jì)并使用減振刀具。首先，設(shè)計(jì)兩兩不等螺旋角、呈軸對稱分布的刀刃，從而在切削過程中減少切削力的波動，降低振動產(chǎn)生的影響。螺旋角的不等性使得刀具切入材料時受力更加均勻，減小了切削時的沖擊和振動。其次，在刀具內(nèi)部設(shè)置彈性體，以吸收和減少振動傳遞到刀具上的能量。彈性體具有很好的減振效果，能夠有效降低切削過程中的振動，提升切削精度。最后，在刀頭部位開設(shè)貫穿小孔，方便切削液進(jìn)入。切削液的噴射可以有效冷卻刀具，并帶走切削過程中產(chǎn)生的熱量，從而降低刀具溫度。切削液的潤滑也可以減少刀具和工件之間的摩擦，延長刀具的使用壽命。

2.5 采用硬質(zhì)合金或減振刀桿

在深孔加工作業(yè)時，孔道的尺寸限制會對刀桿產(chǎn)生較大的振動力和應(yīng)力。傳統(tǒng)的刀桿容易發(fā)生彎曲、振動等問題，導(dǎo)致工件表面粗糙、尺寸誤差增大甚至刀具斷裂等情況。為了減少振動的影響，提高加工質(zhì)量和效率，在深孔加工工況下需要采用整體硬質(zhì)合金或者具有減振功能的刀桿。整體硬質(zhì)合金具有較高的硬度和抗磨損性能，可以有效降低刀具與工件之間的摩擦和磨損，減少因刀具磨損引起的振動。此外，硬質(zhì)合金具有較好的剛性和穩(wěn)定性，可以有效抑制刀具振動，提升切削精度和表面質(zhì)量。減振刀桿采用阻尼材料或阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在切削過程中吸收和分散切削振動，有效減少切削沖擊力和共振現(xiàn)象，降低切削振動的幅度和頻率，提升加工穩(wěn)定性和精度。在切削刀片的選擇上，首選90°主偏角的刀具。當(dāng)主偏角為90°時，刀具的前刃與加工表面垂直，切削力的作用方向與刀具軸線垂直，能夠減少側(cè)向力的產(chǎn)生，有效避免振刀問題。

3 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床加工中的振刀問題是制約加工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素。振刀會導(dǎo)致工件表面粗糙度增加、尺寸偏差超出標(biāo)準(zhǔn)要求，甚至?xí)茐牡毒吆蜋C(jī)床。針對數(shù)控機(jī)床加工時振刀的產(chǎn)生原因和處理對策展開研究，以期通過解決振刀問題來提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，保證數(shù)控機(jī)床的性能和加工質(zhì)量，提高機(jī)械制造水平。