加工深孔时刀具振动现象的分析

加工深孔时刀具振动现象的分析

王彩霞

王彩霞

（黑龙江龙煤矿山建设有限公司建井工程处，黑龙江鸡西158100）

摘要：机械加工过程甲时常发生刀具振动（振刀）现象，在进行深孔加工时这一现象尤为突出。分析了探孔加工过程中振刀现象对零件加工的影响，阐述了产生振刀现象的原因，进一步提出降低振刀现象的几种方法和措施。

关键词：深孔加工；振刀；方法

前言

加工过程中振刀是一种十分有害的现象。若加工中产生了振刀，刀具与工件间将产生相对位移，会使加工表面产生振痕，严重影响零件的表面质量和性能；工艺系统将持续承受动态交变载荷的作用，刀具极易磨损（甚至崩刃），机床连接特性受到破坏，严重时甚至使切削加工无法继续进行。为减小振动，有时不得不降低切削用量，使机床加工的生产效率降低。而深孔加工时刀具更易产生振动，因此，分析深孔加工中的振刀原因并掌握控制振刀的途径是很有必要的。

1深孔加工中刀具振动的原因

以内孔车刀杆的振动分析来看：刀尖切削工件时会产生切削力，这个力使镗刀杆产生弹性变形，当刀尖上的铁屑断掉后，刀杆的弹性变形就恢复。随着铁屑不断产生再断掉，那么径向切削力随着铁屑的生成和断裂由大到小不断变化，形成正弦波动镗削力F。此力的大小和方向是一直有规律的变化，如果切削力的变化频率等于或在刀具固有的弹变频率范围之内，镗削振动就产生了。其实即使刚性很好的刀杆也不能确保切削时刀杆不会产生弹变，实际上刀片在切削时都是颤动的，但是只有弹变足够大时颤动才变为振动[1]。

刀具在切削工件时发生振动需要有以下三个条件同时存在：第一是包括刀具在内的工艺系统刚性不足导致其固有频率低；第二是切削时产生了一个足够大的外激力；第三是这个外激力的频率与工艺系统固有频率相同随即产生共振。

2深孔加工中振刀产生的影响

2.1刀杆振刀。当加长刀杆长径比接近12：1时，就已经远远超过了一般普通合金钢刀杆的4倍长径比的范围，在深孔加工中，振动几乎成了不可也无法避免的问题，即便是每刀只切0．1mm，也无法阻止振动的发生。而在加工过程中，我们的操作者经过调试，将最佳切深控制在每刀0．25mm，而且为了消除振刀时可能产生的挖刀（这种挖刀痕如果不加以消除的话会有不断扩大的危险趋势），每加工3，4刀就要在不进刀的情况下反复走刀以消除让刀量和挖刀痕，效率之低可想而知。刀杆振刀成了不能提高加工效率和无法保证加工精度的最重要的原因。

2.2粗糙度大。采用自制的加长刀杆加工深孔时，而能够达到的最好的粗糙度也不过Ra,6．4，在精度要求较高的深孔中粗糙度就很难达到（用内窥镜观察时检验人员估测所得）要求，而且由于振动是不可控的，所以每次加工都会出现难以预料的情况，有时候由于挖刀而造成无可挽回的超差和报废。

2.3尺寸难以保证。因为让刀和振动都是非常难以估计的因素，所以加工过程中一刀下去常常会车多了或少了，零件出现大于0．1mm的锥度是很常见的，而且无论怎么反复走刀也可能永远无法消除。有时候因为不小心出现了挖刀，为了把挖刀痕接平一点，深孔中的尺寸就可能就会要超差。

3深孔加工中消除刀具振动的方法

3．1降低切削力产生的切削振动从而达到消振。

（1）对于细长刀杆的镗刀或者细长杆的外圆车削时，采用90°主偏角的刀具有利于消振。因为无论是外圆车刀车削细长轴，还是细长刀杆的镗刀镗孔，总是90°主偏角的刀具产生的径向切削力最小，同时刀片刃口产生的轴向力最大；45°主偏角的车镗刀易发生切削振动，因为产生振动的径向切削力与轴向力相等（见图1）。而使用圆刀片时径向切削力大于轴向力，最易发生振动。（2）切深一定时减小刀尖圆弧半径rε无疑可以rε降低切削力特别是径向切削力，而径向切削力是使细长杆类刀具或工件切削发生振动的罪魁祸首。刀尖圆弧半径与振动倾向的关系是：在相同的切削深度时，刀尖圆弧半径越大，细长刀杆发生振动的倾向越大，无论是镗削还是铣削（见图2）。（3）使用锋利的刀片来降低切削力。机加刀片分为涂层和非涂层刀片，非涂层刀片通常比涂层刀片要锋利，因为刀片如果要涂层一定要进行刃口的钝化处理，锋利的刃口将影响涂层在刃口部位的粘结强度。即便是涂层刀片，物理刀片（PCD）也比化学涂层（VCD）刃口要锋利。因为化学涂层材料是大约10gm厚。现代机夹刀片采用的刀片材料按照其硬度分为6类：非涂层硬质合金、涂层硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼（CBN）和人造金刚石。因此，若使切削力降低，推荐使用非涂层硬质合金或物理涂层的钴基硬质合金刀片。（4）内孔镗削时刀片刃倾角越小越好，这样副主偏角很大，副刃口与被加工面的颤动接触区小，颤动很难变成振动，副切削刃挤削的机会也小，见图3。（5）使用正前角和大后角的刀片配以轻快的断屑槽。这样的刀片在镗削中的切削楔人角最小，切削当然轻快。在车削与镗削中，主要推荐7°和11°后角的刀片，这是最常见的刀，也是ISO标准刀片，不同厂家可以互换[3]。（6）调整切削参数。调整切削参数只对切削振动不严重的刀具可能有效，一般的调整方法如下：减低刀具或者工件的回转速度，减小切深并提高刀具每转走刀量。在内螺纹的车削中若产生振动，可以把螺纹车削的进刀步骤减小1~2刀。

3．2改善刀杆的夹持方法从而减轻振动。

（1）传统的螺钉夹紧的方法是不利于消除振动的，最好的办法也是最易操作的是采用变形夹套的方法，如图4所示。

图4利用变形夹套装夹刀杆示意

这种方法先镗出与刀杆为过渡配合的孔，若是刀杆直径比较大，可将孔的一侧铣开。侧面的加紧螺钉中要有两个顶丝，利用大径较重的刀杆装配，其余的为刀杆夹紧螺栓。对于中小直径刀杆则是将孔剖为两半，每半的圆弧面淬火到HRC45，螺栓为两侧共同夹紧。夹套下面通常为铸铁机座。

（2）采用Capto夹持方式。Capto刀柄模块系统采用先进的短锥大端面双定位面系统。它的土2pm的重复定位精度和完美的抗弯与抗扭特性使刀柄系统刚性得以保持，因为良好的组合性，倒锥型刀柄最大限度的提高了镗铣刀具的抗弯性能（见图5）。

4结论

通过对深孔加工过程中产生振刀的原因和基本规律采取相应的减振措施，可使切削加工中的振刀现象明显减小，大大提高工件表面质量及机床刀具的加工能力。但完全消除振刀现象，尚待进一步深入研究振刀机理、寻找产生原因及消除措施。

参考文献

[1]周泽华.金属切削原理（第二版）[M].上海：上海科学技术出版社，1993.

[2]王先逵.机械制造工艺学[M].北京：清华大学出版社，2000.

[3]赵长明，刘万菊.敷控加工工艺及设备[M].北京：高等教育出版社，2002.

[4]晏初宏.数控加工工艺与编程[M].北京：化学工业出版社，2002.