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機(jī)床網(wǎng)
基于刀具結(jié)構(gòu)分析加工振動(dòng)的解決方法
2024-10-24 10:53:34

在金屬切削過(guò)程中,切削振動(dòng)不可避免,如何減小切削振動(dòng)是業(yè)內(nèi)人士一直研究的課題。加工時(shí),不同機(jī)床、夾具和刀具的選取都會(huì)引起工件振動(dòng),本文僅從金屬切削刀具結(jié)構(gòu)角度分析加工振動(dòng)的產(chǎn)生原因及解決方法。


1  序言

在金屬切削過(guò)程中,切削振動(dòng)會(huì)在工件表面產(chǎn)生振紋,導(dǎo)致工件加工精度和表面質(zhì)量降低。振動(dòng)過(guò)大易導(dǎo)致夾具零部件松動(dòng),機(jī)床精度和刀具壽命也隨之降低,甚至?xí)p壞刀具,一旦發(fā)生安全事故將造成不可挽回的影響。


2 解析刀具結(jié)構(gòu)對(duì)切削振動(dòng)的影響

2.1 刀尖圓角對(duì)切削振動(dòng)的影響

選擇刀具時(shí),通常選擇大圓角刀片,大圓角刀片的刀具壽命更長(zhǎng),但在精加工時(shí),要根據(jù)切削余量選擇刀尖圓角,圓角小,達(dá)不到理想的刀具壽命;圓角大,會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),俗稱“壓不住刀”。

(1)刀尖圓角半徑對(duì)于車削振動(dòng)的影響 具體如下。

如圖1所示,當(dāng)背吃刀量≈刀尖圓角半徑時(shí),軸向力Fx≈徑向力Fy,此時(shí)有振動(dòng)的可能性。

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圖1 背吃刀量≈刀尖圓角半徑

如圖2所示,當(dāng)背吃刀量<刀尖圓角半徑時(shí),軸向力Fx<徑向力Fy,此時(shí)切削力以徑向力為主,極易產(chǎn)生振動(dòng),出現(xiàn)“壓不住刀”的情況。

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圖2 背吃刀量<刀尖圓角半徑

如圖3所示,當(dāng)背吃刀量>刀尖圓角半徑時(shí),軸向力Fx>徑向力Fy,此時(shí)切削力以軸向力為主,通常加工是穩(wěn)定的。

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圖3 背吃刀量>刀尖圓角半徑

因此,選擇刀片時(shí)應(yīng)選擇背吃刀量>刀尖圓角半徑的刀尖半徑,這樣可以保證軸向切削力最大。

某客戶加工銷軸類零件,粗加工外協(xié),本廠做精加工,粗加工僅給精加工留余量0.15mm,客戶使用CCMT060204刀片加工,如圖4所示選用R0.4mm圓角刀片,加工時(shí)有振紋,在排除加工參數(shù)等原因后確定振動(dòng)原因是背吃刀量太小。僅更換為CCMT060202刀片,如圖5所示選用R0.2mm圓角刀片,其他加工參數(shù)不變,振紋即可消失,達(dá)到加工要求。

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圖4 R0.4mm圓角刀片加工效果

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圖5 R0.2mm圓角刀片加工效果

(2)刀尖圓角對(duì)于銑削振動(dòng)的影響 銑刀結(jié)構(gòu)相對(duì)車刀結(jié)構(gòu)復(fù)雜,影響切削振動(dòng)的因素很多,與其他因素相比,刀尖圓角對(duì)振動(dòng)的影響較小。

與車削相同,在機(jī)床功率和轉(zhuǎn)矩條件允許的情況下,粗加工時(shí)選擇較大的圓角刀片,可以達(dá)到更高的壽命和效率。精加工時(shí),通常選用R0.4mm圓角刀片,基本可以滿足絕大部分的加工工況。

需要注意的是當(dāng)背吃刀量過(guò)小時(shí),除了上述“壓不住刀”情況產(chǎn)生的振動(dòng)之外,還會(huì)出現(xiàn)劃痕,但并不是由于振動(dòng)產(chǎn)生的。

可換刀片銑刀有制造公差,無(wú)法保證刀片安裝在刀體上是絕對(duì)等高的。刀片的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)誤差甚至可達(dá)0.03mm以上。因此在背吃刀量很小且無(wú)法調(diào)整時(shí),可以使用軸向可調(diào)面銑刀或硬質(zhì)合金整體精磨銑刀(見(jiàn)圖6)。

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圖6 Mapal Power Mill 軸向可調(diào)精磨銑刀

2.2 主偏角對(duì)切削振動(dòng)的影響

主偏角是切削刃與進(jìn)給方向之間的夾角,這個(gè)參數(shù)不僅會(huì)影響切屑形狀和切削刃長(zhǎng)度,還會(huì)影響切削力方向,對(duì)切削振動(dòng)的影響也很大。

(1)偏角對(duì)車削振動(dòng)的影響 如圖7所示,F(xiàn)為車削總受力,F(xiàn)x為車削軸向力,F(xiàn)y為車削徑向力,車削時(shí)隨著主偏角的增大,刀具軸向力越大,徑向力越小,從而產(chǎn)生振動(dòng)的機(jī)率就越小。

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a)45°主偏角車刀

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b)75°主偏角車刀

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c)90°主偏角車刀

圖7 不同角度主偏角車刀示意

45°主偏角的車刀或鏜刀徑向力和軸向力相等,此時(shí)最易發(fā)生振動(dòng)。在選擇車刀或鏜刀時(shí),通常應(yīng)首選主偏角接近90°的刀具,特別是車削細(xì)長(zhǎng)軸或鏜孔時(shí),盡可能選擇90°主偏角的刀具來(lái)減小徑向力,以獲得最好的切削效果。

(2)主偏角對(duì)銑削振動(dòng)的影響 通常銑刀的主偏角對(duì)銑削振動(dòng)的影響不大,只有在特殊工況下,主偏角對(duì)加工有較大影響。

1)加工薄壁工件。加工薄壁工件時(shí),首選主偏角為90°的方肩銑刀。方肩銑刀在銑削過(guò)程中徑向力最大,軸向力最小,銑削薄壁工件時(shí)受到的垂直壓力小,可最大程度減小振動(dòng)的發(fā)生。

2)刀具長(zhǎng)懸伸工況。當(dāng)使用長(zhǎng)懸伸銑刀銑削時(shí),主偏角越接近90°銑削的徑向力越大,振動(dòng)也越大,長(zhǎng)懸伸銑削時(shí)應(yīng)首選45°主偏角銑刀,背吃刀量<1mm時(shí),可選擇圓刀片銑刀。

2.3 銑削刀具齒數(shù)和齒距對(duì)切削振動(dòng)的影響

切削加工時(shí)需要的功率越大,產(chǎn)生振動(dòng)的機(jī)率就越大[1]。

凈功率計(jì)算公式如下

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式中,Pc為凈功率(kW);ap為背吃刀量(mm);ae為切削寬度(mm);vf為進(jìn)給速度(mm/min);kc為特定切削力(N/mm2);fz為每齒進(jìn)給量(mm/z);n為主軸轉(zhuǎn)速(r/min);zc為齒數(shù)(個(gè))。

以平面銑削為例,銑削功率和齒數(shù)成正比,相同直徑的銑刀,10刃銑刀需要的功率是5刃銑刀的兩倍。選擇刀具時(shí),不能為了加工效率,一味地追求多齒數(shù),也要考慮機(jī)床和夾具是否可以滿足功率需求。

除了齒數(shù)外,齒距也是一個(gè)重要因素,非等齒距刀具的好處在于他們能中斷諧振,從而提高穩(wěn)定性,在大切寬和長(zhǎng)懸伸刀具上的效果尤為明顯。

銑削加工時(shí),如果發(fā)生振動(dòng),可以拆掉幾個(gè)刀片,通過(guò)減少齒數(shù)來(lái)降低切削功率,值得注意的是,如果只拆掉某一個(gè)刀片,下一個(gè)刀片會(huì)承受兩倍的每齒進(jìn)給量,需要每隔一個(gè)刀片拆掉一個(gè),使每個(gè)刀片的受力均勻、每齒進(jìn)給量一致,達(dá)到理想的切削效果。

2.4 前角對(duì)切削振動(dòng)的影響

刀具前角是前刀面與基面間的夾角,前角不僅有大小之分,還有正負(fù)的區(qū)別。前角越大,切削力越??;前角越小,切削力越大。正前角刀片是單面刀片,具有較低的切削力,但刀片強(qiáng)度較差,負(fù)前角刀片既有單面刀片也有雙面刀片,后角為0°,切削力大且刀片強(qiáng)度高,適合重載切削。

(1)前角對(duì)車削振動(dòng)的影響 如圖8所示,如果切削時(shí)錯(cuò)用負(fù)前角刀片精加工,極易引起振動(dòng),若用正前角刀片粗加工則工件壽命偏低。

(2)前角對(duì)于銑削振動(dòng)的影響 如圖9所示,銑刀前角分為軸向前角和徑向前角。軸向前角影響切削形狀和切削力的方向,徑向前角影響切削功率[2]。

根據(jù)加工工況和工件精度選擇銑刀前角,不同角度前角的銑刀特性如下所述。

1)雙正前角銑刀。軸向前角和徑向前角皆為正前角銑刀,這種銑刀切削力小,排屑順暢,適用于功率不足的機(jī)床,以及裝夾不穩(wěn)的工況。

2)雙負(fù)前角銑刀。軸向前角和徑向前角皆為負(fù)前角銑刀,這種銑刀適合粗加工,切削力很大,極易產(chǎn)生振動(dòng),適用于大功率機(jī)床。

3)正、負(fù)前角銑刀。軸向前角為正前角,徑向前角為負(fù)前角,是市面上最常用的銑刀組合。

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a)負(fù)前角刀片

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b)正前角刀片

圖8 車刀的正、負(fù)前角刀片示意

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a)徑向前角             b)軸向前角

圖9 銑刀前角示意

2.5 刀尖角度對(duì)切削振動(dòng)的影響

以車削或鏜削為例,如圖10所示刀片刀尖角度一般為35°、55°、60°、80°、90°以及圓刀片。刀尖角越大,刀片越堅(jiān)固,承受的切削力越大,產(chǎn)生振動(dòng)的概率越大,其中圓刀片產(chǎn)生振動(dòng)的概率最大[1]。假設(shè)刀具主偏角相同,刀尖角越大,副主偏角越小,副切削刃擠屑的概率就越大;反之刀尖角越小,副主偏角越大,空間越大,擠屑概率越小,產(chǎn)生振動(dòng)的概率也就越小。

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圖10 刀尖角度示意

2.6 刀具長(zhǎng)徑比對(duì)切削振動(dòng)的影響

刀具長(zhǎng)徑比,即刀具懸伸長(zhǎng)度與直徑的比值,無(wú)論車刀、銑刀還是鏜刀,長(zhǎng)徑比都是影響振動(dòng)的重要參數(shù)[2],懸臂梁示意如圖11所示。

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圖11 懸臂梁示意

懸臂梁結(jié)構(gòu)的撓度公式如下 

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式中,W為撓度(mm);F為切削力(N);L為刀具懸伸長(zhǎng)度(mm);E為彈性模量(MPa);I為截面慣矩(mm4);D為刀桿直徑(mm)。

由式(3)、式(4)可知,當(dāng)直徑相同時(shí),撓度和長(zhǎng)度的3次方值成正比。而長(zhǎng)度不變時(shí),撓度和直徑的4次方值成反比。刀具裝夾在機(jī)床上就是一種懸臂梁結(jié)構(gòu)。對(duì)比上述公式,選刀時(shí)應(yīng)優(yōu)選長(zhǎng)度短、直徑大且長(zhǎng)徑比小的刀具。

當(dāng)受到工況和工件結(jié)構(gòu)限制,必須長(zhǎng)徑比很大時(shí),通常用以下3種方法處理。

(1)增加刀桿剛性 使用重金屬、硬質(zhì)合金或減振刀桿作為刀桿材料,以長(zhǎng)徑比L/D為基準(zhǔn),通常當(dāng)L/D<4時(shí),使用普通鋼制刀桿;當(dāng)4<L/D<6時(shí),使用重金屬刀桿或硬質(zhì)合金刀桿;當(dāng)L/D>6時(shí),使用減振刀桿。

如圖12所示,采用相同切削參數(shù),加工材質(zhì)45鋼,刀具長(zhǎng)度238mm,刀具直徑40mm,長(zhǎng)徑比L/D約為6,切削速度vc=0.12m/min,背吃刀量ap=1mm,進(jìn)給速度vf=143mm/min,減振刀桿加工效果明顯優(yōu)于鋼制刀桿。

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a)普通鋼制鏜桿加工效果(有振紋)

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b)減振鏜桿加工效果(無(wú)振紋)

圖12 不同刀體材質(zhì)加工效果對(duì)比

(2)導(dǎo)條支撐刀具 如圖13所示為曲軸導(dǎo)條支撐刀具,該類刀具都是非標(biāo)刀具,適用于孔的精加工,根據(jù)工件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過(guò)工件自身結(jié)構(gòu)或夾具襯套為支撐消除振動(dòng)。該類刀具常用于汽車加工行業(yè),例如:發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋。

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圖13 曲軸導(dǎo)條支撐刀具

(3)插銑 如圖14所示,插銑刀就像使用鉆頭一樣軸向進(jìn)給加工,切削時(shí)刀具主要受軸向力,徑向力較小,當(dāng)需要刀具懸伸在L/D>4時(shí),可以選用插銑的方式進(jìn)行粗加工,使用該方法要注意盡可能選擇刃數(shù)多的插銑刀具,這樣不僅可以提高加工效率,而且可以在加工時(shí)保持至少有一個(gè)齒在切削工件,保證加工的穩(wěn)定性。

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圖14 插銑示意

2.7 刀具接口對(duì)切削振動(dòng)的影響

車削刀具接口對(duì)振動(dòng)的影響具體如下。

1)夾持方式。車刀桿與機(jī)床夾持方式對(duì)形成振動(dòng)有很大的影響[2]。如圖15所示是車床夾持鏜桿最常見(jiàn)的三種情況,A、B、C均使用夾持圓柱型鏜桿。其中A使用外圓夾緊式刀座,通過(guò)圓周上完全夾緊的方式可以獲得最高的穩(wěn)定性,且有效夾持長(zhǎng)度推薦在3倍徑以上;B使用側(cè)固夾緊式刀座,一側(cè)由螺栓壓緊,下端由V形塊支撐,對(duì)于削平柄結(jié)構(gòu)的鏜桿可能合適,但對(duì)于圓柱柄鏜桿很可能會(huì)產(chǎn)生振動(dòng);C也使用側(cè)固夾緊式刀座,利用兩側(cè)螺釘夾緊,該夾持方式不推薦使用,首先螺釘緊固位置未必會(huì)夾持在鏜桿中心位置,如有偏差,鏜桿受到夾緊力的作用會(huì)產(chǎn)生變形,加工時(shí)會(huì)損壞鏜桿。

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圖15 車床夾持方式示意

2)夾持長(zhǎng)度。如圖16所示,必須保證有效夾持長(zhǎng)度在3倍徑以上,以平衡切削力。

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圖16 內(nèi)圓車刀夾持示意

2.8 銑削刀具接口對(duì)切削振動(dòng)的影響

對(duì)于加工中心機(jī)床來(lái)說(shuō),刀柄可以分為過(guò)定位刀柄和非過(guò)定位刀柄,過(guò)定位刀柄例如BBT、HSK、Capto、KM以及big-plus刀柄等,非過(guò)定位刀柄例如JT、BT刀柄等[3],圖17中以BT刀柄及BBT刀柄舉例。對(duì)于長(zhǎng)懸伸刀具,機(jī)床接口是重要因素,長(zhǎng)懸伸加工時(shí),過(guò)定位刀柄的效果要優(yōu)于非過(guò)定位刀柄。

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a)普通BT刀柄,法蘭面與主軸端面有間隙

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b)過(guò)定位BBT刀柄,法蘭面與主軸端面無(wú)間隙圖17 BT刀柄和過(guò)定位BBT刀柄對(duì)比


3  結(jié)束語(yǔ)

加工時(shí)產(chǎn)生切削振動(dòng)的因素有很多,本文通過(guò)對(duì)刀具結(jié)構(gòu)的分析,得出下述5點(diǎn)結(jié)論對(duì)解決加工振動(dòng)問(wèn)題有積極作用。

1)通過(guò)減小刀尖半徑、使用正前角刀具以及減小刀具齒數(shù)的方式均可減小切削力。

2)改變主偏角大小、采用插銑方法可改變單一方向的切削力。

3)不等齒距、阻尼減振鏜桿會(huì)破壞切削固有振動(dòng)頻率。

4)刀桿的長(zhǎng)徑比要盡可能地小,使用重金屬或硬質(zhì)合金刀體均可增加刀具剛性。

5)用導(dǎo)條輔助支撐刀具、選擇過(guò)定位刀柄以及選取較小的刀尖角度能增強(qiáng)加工時(shí)的穩(wěn)定性。


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