机床切削加工及切削颤振

张广为，申 林

沈阳机床股份有限公司中捷机床有限公司，辽宁沈阳 110142

1 切削加工的重要作用与刀具

1.1 切削加工的重要作用

机械制造过程中最关键的步骤是零件的制作。制作毛坯时一般采用成形制造的方法，通过铸造、焊接、锻造等方式手段加工完成。精确成形工艺，又称净成形工艺，是近些年来出现的新工艺，加工半成品或成品时一般采用精确成形工艺，通过精铸、精锻的方式加工完成。制造模型或经书零件时一般采用快速原型制造工艺。切削、磨削是传统的加工制造方式，除此之外机床切削加工方式还包括激光束加工、电子束加工、电化学加工等工艺。现今，传统加工方式中切削工艺是最重要的加工方式，在未来的几年内还将在零件加工领域发挥越来越重要的作用。

1.2 刀具的重要作用

性能好的刀具能够提升机床的生产效率，保证加工出的产品质量。因此，提高刀具的性能对机械制造业的生产水平和经济效益的提高起着至关重要的作用。

金属切削加工出的产品在外观形状、尺寸大小、表面的光滑程度和产品质量有严格的要求，因此，在使用刀具切除工件上多余的金属材料时，要重视生产过程中加工的每个步骤。特别是使用刀具分离工具表层时，刀具和零件的表面会产生一个相互作用的力，即刀具的切削作用和工件的反切削作用，这是机床切削加工过程中首要矛盾。

随着工具加工行业的迅猛发展，相关企业越来越重视切削刀具在生产加工过程中发挥的重要作用。新产品和新科技的使用加速了刀具切削工艺的革新进程，数控机床等高性能的加工刀具技术开始投放生产使高速切削和超高速切削成为了可能。高速切削和超高速切削工艺对生产加工的要求程度更高，要求切削的稳定性高，精准程度更加精确，刀具能够实现快速更换，甚至是自动更换。机床切削加工未来的发展趋势迫切要求刀具在材料、结构和性能上的质量更高。

2 切削颤振产生与危害

2.1 切削颤振产生的原因

当出现以下几种情形时机床会产生自激振动：一是工件或是刀具同回转主轴相互连接时因为扭转和弯曲而产生了自激振动；二是在工件切削过程中因为工件的周期性运动而造成的机床整体性自激振动；三是在工件切削过程中慢速加工时，机床会随之与地面产生缓慢的摩擦而产生的自激振动。

颤振指的是在金属工件的加工过程中，刀具同工件因为相互加工摩擦而产生的自激振动。产生颤振的原因是在金属工件的切削过程中，工件、刀具和机床因为相互作用形成间断而有规律性的振动。

2.2 切削颤振的危害

在实际生产活动中，一旦机床产生振动，会产生巨大的噪声。长时间以来，机械生产中产生的大规模噪声远远超过了人体能够承受的健康程度，一方面长时间工作在噪声大的生产环境中会使操作人员较易产生疲劳感，甚至会诱发心脑血管疾病，降低工作效率；另一方面，机床的频繁振动会加速机床的磨损程度，缩短机床的寿命，导致工件的精准程度降低，增加加工过程中的风险。长期以来，机械制造业中的噪声污染相当突出，大大超过国家环保标准。刺耳的噪声是工件一刀具系统强烈切削颤振的结果，它降低了产品的表面质量，降低了生产效率和刀具、设备寿命，增加了材料和能源消耗。

在切削金属原件时，颤振是持续发生的，机械加工由于颤振会严重影响金属工件的质量，因此减少颤振产生的不利影响是提高机床切削加工的重要方面。为了降低颤振所带来的不利影响，操作者在切削过程中往往临时改变切削的加工方法，然而这种临时性的改变必然会延长加工的时间，可能会造成工期的延误，增加生产的成本。

现代工业生产通过采用现代化的机床能够实现机械加工的规模化生产，因此，解决颤振带来的不利影响对提高机械生产效率起到了至关重要的作用。机械化生产在操作和时间上的可控程度高，在解决颤振问题上人们更多关注的是提高机床的使用效率，降低加工时间。

3 再生颤振理论与减小切削颤振的措施

3.1 再生颤振理论

针对再生颤振产生的原因，理论界和实践界普遍认同的是以下解释：一次切削完成后会延续振动即振纹，当下一次切削开始时上一次切削延续的振纹同本次切削会存在一个差值，因此而导致切削后的薄厚程度不同而形成的颤振。

3.2 振型耦合理论

切削螺纹时，从理论上看，后转切削与前传切削的表面全部分离，没有重合的部分，因此无法产生再生颤振，但在生产实践中也经常发生颤振。因为刀具与工件在加工过程中行进的方向组成了一个椭圆形，所以颤振同时发生在两个方向上。由此可见，当颤振同时发生在方向相反的两段式，因原有的两个振型相互重合也会产生颤振。联系到生产实践中，在设计机床时必须要考虑到机床在不同方向加工时的承受程度。

3.3 减小切削颤振的措施

进入工业化生产以来，人们在机床切削加工上的实际生产经验相当丰富，经过大量的生产实践总结，减小切削颤振可以从以下3 个方面着手：

一是调整机床的各个部件的参数，包括主轴转速、进给量、切削宽度和刀具加工角度等。实际生产中能够发现，通过人为的改变主轴的转速，及通过控制切削的速度使之不停的变化能够尽可能的减少颤振的产生；

二是通过改进机床上的部分部件。由于机床的结构相当复杂，难以从整体上改进，因此可以通过对机床床身、立柱等基础部件的改进提高机床的整体稳定程度；

三是适当的改进刀具的结构。通过增大刀具的阻尼并适当的改进刀具的结构使之与机床和零件更加贴合，能够有效的降低颤振发生的频率和幅度。

4 研究切削颤振现象及其控制理论的意义

通过研究颤振产生的原因为理论研究相关人员探讨机床切削加工理论提供了实践基础，对机械加工理论和机械工程实践的发展起到了至关重要的作用。从实际生产领域来看，通过控制颤振发生的频率和幅度能够尽可能的减小颤振带来的危害，一方面能够为机床加工人员的身体健康提供保障，另一方面能够减少元件的损耗，延长机床的实用寿命、降低生产成本、提高生产效率，促进机床切削加工工艺的长足发展、增加生产效益、提高经济收益。

[1]张向慧，贺建芸.徐红娟非线性颤振对于切削加工过程影响初探[期刊论文].机械工程师，2002(3).

[2]杨尧金属切削加工中的振动分析及控制途径[期刊论文].工具技术，2004(3).

[3]何华明，凌燕英.浅谈提高机床稳定性的措施[期刊论文].广西农业机械化，2004(3).