在金屬切削過程中，切削振動不可避免，如何減小切削振動是業(yè)內(nèi)人士一直研究的課題。加工時，不同機(jī)床、夾具和刀具的選取都會引起工件振動，本文僅從金屬切削刀具結(jié)構(gòu)角度分析加工振動的產(chǎn)生原因及解決方法。
1 序言
在金屬切削過程中，切削振動會在工件表面產(chǎn)生振紋，導(dǎo)致工件加工精度和表面質(zhì)量降低。振動過大易導(dǎo)致夾具零部件松動，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)對切削振動的影響
2.1 刀尖圓角對切削振動的影響
選擇刀具時，通常選擇大圓角刀片，大圓角刀片的刀具壽命更長，但在精加工時，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，會產(chǎn)生振動，俗稱“壓不住刀”。
（1）刀尖圓角半徑對于車削振動的影響 具體如下。
如圖1所示，當(dāng)背吃刀量≈刀尖圓角半徑時，軸向力Fx≈徑向力Fy，此時有振動的可能性。
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，軸向力Fx＜徑向力Fy，此時切削力以徑向力為主，極易產(chǎn)生振動，出現(xiàn)“壓不住刀”的情況。
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，軸向力Fx＞徑向力Fy，此時切削力以軸向力為主，通常加工是穩(wěn)定的。
圖3 背吃刀量＞刀尖圓角半徑
因此，選擇刀片時應(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，加工時有振紋，在排除加工參數(shù)等原因后確定振動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。
圖4 R0.4mm圓角刀片加工效果
圖5 R0.2mm圓角刀片加工效果
（2）刀尖圓角對于銑削振動的影響 銑刀結(jié)構(gòu)相對車刀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響切削振動的因素很多，與其他因素相比，刀尖圓角對振動的影響較小。
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，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)背吃刀量過小時，除了上述“壓不住刀”情況產(chǎn)生的振動之外，還會出現(xiàn)劃痕，但并不是由于振動產(chǎn)生的。
可換刀片銑刀有制造公差，無法保證刀片安裝在刀體上是絕對等高的。刀片的最高點和最低點誤差甚至可達(dá)0.03mm以上。因此在背吃刀量很小且無法調(diào)整時，可以使用軸向可調(diào)面銑刀或硬質(zhì)合金整體精磨銑刀（見圖6）。
圖6 Mapal Power Mill 軸向可調(diào)精磨銑刀
2.2 主偏角對切削振動的影響
主偏角是切削刃與進(jìn)給方向之間的夾角，這個參數(shù)不僅會影響切屑形狀和切削刃長度，還會影響切削力方向，對切削振動的影響也很大。
（1）偏角對車削振動的影響 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)生振動的機(jī)率就越小。
a）45°主偏角車刀
b）75°主偏角車刀
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，此時最易發(fā)生振動。在選擇車刀或鏜刀時，通常應(yīng)首選主偏角接近90°的刀具，特別是車削細(xì)長軸或鏜孔時，盡可能選擇90°主偏角的刀具來減小徑向力，以獲得最好的切削效果。
（2）主偏角對銑削振動的影響 通常銑刀的主偏角對銑削振動的影響不大，只有在特殊工況下，主偏角對加工有較大影響。
1）加工薄壁工件。加工薄壁工件時，首選主偏角為90°的方肩銑刀。方肩銑刀在銑削過程中徑向力最大，軸向力最小，銑削薄壁工件時受到的垂直壓力小，可最大程度減小振動的發(fā)生。
2）刀具長懸伸工況。當(dāng)使用長懸伸銑刀銑削時，主偏角越接近90°銑削的徑向力越大，振動也越大，長懸伸銑削時應(yīng)首選45°主偏角銑刀，背吃刀量＜1mm時，可選擇圓刀片銑刀。
2.3 銑削刀具齒數(shù)和齒距對切削振動的影響
切削加工時需要的功率越大，產(chǎn)生振動的機(jī)率就越大[1]。
凈功率計算公式如下
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）。
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，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，在大切寬和長懸伸刀具上的效果尤為明顯。
銑削加工時，如果發(fā)生振動，可以拆掉幾個刀片，通過減少齒數(shù)來降低切削功率，值得注意的是，如果只拆掉某一個刀片，下一個刀片會承受兩倍的每齒進(jìn)給量，需要每隔一個刀片拆掉一個，使每個刀片的受力均勻、每齒進(jìn)給量一致，達(dá)到理想的切削效果。
2.4 前角對切削振動的影響
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，切削力越小；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）前角對車削振動的影響 如圖8所示，如果切削時錯用負(fù)前角刀片精加工，極易引起振動，若用正前角刀片粗加工則工件壽命偏低。
（2）前角對于銑削振動的影響 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，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。
a）負(fù)前角刀片
b）正前角刀片
圖8 車刀的正、負(fù)前角刀片示意
a）徑向前角 b）軸向前角
圖9 銑刀前角示意
2.5 刀尖角度對切削振動的影響
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，刀片越堅固，承受的切削力越大，產(chǎn)生振動的概率越大，其中圓刀片產(chǎn)生振動的概率最大[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)生振動的概率也就越小。
圖10 刀尖角度示意
2.6 刀具長徑比對切削振動的影響
刀具長徑比，即刀具懸伸長度與直徑的比值，無論車刀、銑刀還是鏜刀，長徑比都是影響振動的重要參數(shù)[2]，懸臂梁示意如圖11所示。
圖11 懸臂梁示意
懸臂梁結(jié)構(gòu)的撓度公式如下
式中，W為撓度（mm）；F為切削力（N）；L為刀具懸伸長度（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，撓度和長度的3次方值成正比。而長度不變時，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)。對比上述公式，選刀時應(yīng)優(yōu)選長度短、直徑大且長徑比小的刀具。
當(dāng)受到工況和工件結(jié)構(gòu)限制，必須長徑比很大時，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，以長徑比L/D為基準(zhǔn)，通常當(dāng)L/D<4時，使用普通鋼制刀桿；當(dāng)4<L/D<6時，使用重金屬刀桿或硬質(zhì)合金刀桿；當(dāng)L/D>6時，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，刀具長度238mm，刀具直徑40mm，長徑比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。
a）普通鋼制鏜桿加工效果（有振紋）
b）減振鏜桿加工效果（無振紋）
圖12 不同刀體材質(zhì)加工效果對比
（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，通過工件自身結(jié)構(gòu)或夾具襯套為支撐消除振動。該類刀具常用于汽車加工行業(yè)，例如：發(fā)動機(jī)缸體缸蓋。
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，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，而且可以在加工時保持至少有一個齒在切削工件，保證加工的穩(wěn)定性。
圖14 插銑示意
2.7 刀具接口對切削振動的影響
車削刀具接口對振動的影響具體如下。
1）夾持方式。車刀桿與機(jī)床夾持方式對形成振動有很大的影響[2]。如圖15所示是車床夾持鏜桿最常見的三種情況，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，對于削平柄結(jié)構(gòu)的鏜桿可能合適，但對于圓柱柄鏜桿很可能會產(chǎn)生振動；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夾持在鏜桿中心位置，如有偏差，鏜桿受到夾緊力的作用會產(chǎn)生變形，加工時會損壞鏜桿。
圖15 車床夾持方式示意
2）夾持長度。如圖16所示，必須保證有效夾持長度在3倍徑以上，以平衡切削力。
圖16 內(nèi)圓車刀夾持示意
2.8 銑削刀具接口對切削振動的影響
對于加工中心機(jī)床來說，刀柄可以分為過定位刀柄和非過定位刀柄，過定位刀柄例如BBT、HSK、Capto、KM以及big-plus刀柄等，非過定位刀柄例如JT、BT刀柄等[3]，圖17中以BT刀柄及BBT刀柄舉例。對于長懸伸刀具，機(jī)床接口是重要因素，長懸伸加工時，過定位刀柄的效果要優(yōu)于非過定位刀柄。
a）普通BT刀柄，法蘭面與主軸端面有間隙
b）過定位BBT刀柄，法蘭面與主軸端面無間隙圖17 BT刀柄和過定位BBT刀柄對比
3 結(jié)束語
加工時產(chǎn)生切削振動的因素有很多，本文通過對刀具結(jié)構(gòu)的分析，得出下述5點結(jié)論對解決加工振動問題有積極作用。
1）通過減小刀尖半徑、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、阻尼減振鏜桿會破壞切削固有振動頻率。
4）刀桿的長徑比要盡可能地小，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、選擇過定位刀柄以及選取較小的刀尖角度能增強(qiáng)加工時的穩(wěn)定性。
