减少内孔切削时刀具振动的解决途径和方法

袁礼彬

（常州中车铁马科技实业有限公司，江苏 常州 213125）

引言

在零件内孔车削尤其精车过程中，加工刀具的振动最终会影响到零件的尺寸精度和表面质量，同时也会影响刃具及基础主轴的寿命，因此在加工中尽可能地避免振刀现象的发生[1]。传统的机械加工解决刀具振动的最终结果通常会降低制造效率。随着现代金属切削加工技术的不断发展，尤其是现代数控刀具结构的迭代更新，为有效解决内孔切削振动问题提供了新途径和新方法[2]。

1 采用重金属/硬质合金刀体减轻振动

阻尼避振刀具技术出现之前，机加工业内普遍采用改变刀体的材料，以达到减轻刀具振动的目的。即把采用普通合金钢制造的刀体改为采用重金属制造，或者整体采用硬质合金制造的刀体，如图1 所示。刀体装夹悬伸长度与刀体直径之间产生避振效果的长径比可达4～6。但许多工程实践经验表明，在相同长径比的情形下，采用重金属刀体的内孔车削消振效果不如整体硬质合金刀体。表1 所示为各种材质的刀体装夹悬伸长度与刀体直径长径比。

表1 刀体材质与长径比避振极限

图1 整体硬质合金刀体

采用重金属和整体硬质合金制造的刀体，重量增加了许多，价格也贵，总体来看应用并不广泛。

2 应用阻尼技术避振刀体减轻振动

通常情况内孔切削车刀受力是一个较为复杂的过程，如果仅仅依靠提高刀体的弹性模量难以从根本解决刀具振动问题，同时会降低制造效率以及刀具刃口的安全性。批量生产中，倘若对深孔进行安全有效的加工，则必须采用阻尼避振刀体。

钢刀体和硬质合金刀体都可以选用带有减振器的结构，以增大刀体可用的长径比。

图2 和图3 分别是山特维克可乐满SilentTools和肯纳金属的减振内孔车刀体，分别通过减振块的径向或轴向的振动吸收能量。

图2 山高刀具Silent Tools

SilentTools 的设计包括：一块浸入特种油状液体中，由起弹簧作用的橡胶轴衬悬挂的重金属块。特种油状液体将吸收切削过程产生的振动能量，且通过能量转化将振动能量转换为热量。借助于内孔车刀体上的螺钉来调整重金属块的惯量，优化振动频率，调节橡胶轴衬悬架的张力，使减振效果达到最佳状态。内孔车刀体还设有内冷却通道，以优化排屑效果。图3 所示的肯纳金属车刀体则在设计时组合了几种比较理想的特征：包括高刚性的硬质合金刀体；质量为硬质合金一半的钢衬套位于内孔车刀体前端，以产生更高的固有频率（与硬质合金刀柄热配合）；内孔车刀体前端的槽可以减轻重量，提高固有频率，减振器组合体衰减振动等。

图3 肯纳金属减振内孔车刀体

3 选择合适切削条件减轻振动

3.1 采用90°主偏角有利于减少径向力，减轻振动

内孔车削刀具的主偏角影响径向力、轴向力以及合成力的方向和大小。主偏角增大导致轴向切削力增大，而主偏角减小则导致径向切削力增大。由于轴向切削力朝着机床主轴方向，一般情况不会对加工产生负面影响，因此，选择较大的主偏角是有利的。

90°主偏角往往是内孔车削的首选，通过镗体轴直接传回进给力，使变形和振刀最小化。45°或者75°主偏角内孔车刀径向力往往会使刀体发生变形，从而导致振刀，见图4。

图4 进给力比较

3.2 在径向切削深度一定情况下，减小刀尖圆弧半径可减轻振动

在内孔车削工序中，应首选小刀尖半径。刀尖半径增大，径向和切向切削力也会随之增大，并且，还会带来加强振动趋势的隐患。另一方面，刀具在径向上的偏斜会受到切削深度与刀尖半径之间相对关系影响，见图5。

图5 刀尖圆弧半径影响

当切削深度小于刀尖半径时，径向切削力随着切削深度的加深而不断增加。切削深度等于或大于刀尖半径，径向偏斜将由主偏角决定。选择刀尖半径的经验法则是刀尖半径应稍小于切削深度。这样，可以使径向切削力最小。同时，在确保径向切削刀最小的情况下，使用最大刀尖半径可获得更坚固的切削刃、更好的表面纹理以及切削刃上更均匀的压力分布。

3.3 在保持刀具一定耐用度情况下，选择较小的刀尖角且越小越好

较小的刀尖角度会确保切屑的形状一致，并增加容屑空间，确保更好的排屑性能。较小的刀尖角，副主偏角较大，副切削刃与被加工面的颤动很难转化为振动。较大的刀尖角度导致切削刃啮合量过大，从而导致振动，见图6。

图6 刀尖角对切削力影响

3.4 使用正前角刀片槽型

刀片槽型对切削过程有着决定性的影响，内孔加工一般选用切削锋利、刃口强度高的正前角槽型刀片，以减小内孔车削时的切削力。图7 是用于内孔车削和镗削的刀片。刀片的断屑槽是磨削形成的贯通槽，常规的车刀片断屑槽一般是通过压制烧结的封闭槽。磨削的槽比烧结的槽刃口锋利一些，也是降低切削力的一个方法。

图7 正前角刀片槽型

采用正前角，具有平稳切削性能槽型的刀片，从而降低切削力，见图8。PVD 刀片为首选，较薄的涂层可以确保较小的刃口处理。

图8 轴向与径向前角对切削力影响

3.5 正确处理车刀刃口

刀片的切削刃倒圆（ER）也会影响切削力。一般，非涂层刀片的切削刃倒圆比涂层刀片（GC）的倒圆要小，特别是在长刀具悬伸和加工小孔时。刀片的后刀面磨损（VB）将改变刀具相对孔壁的后角，并且还可能会成为影响加工过程切削作用的根源。

4 改善刀体的夹持方式从而减轻振动

刀具的夹持稳定性和工件的稳固性在内孔加工中也非常重要，它决定了加工时振动的量级，并决定这种振动是否会加大。刀体的夹紧单元满足所推荐的长度、表面粗糙度和硬度是非常重要的。刀体的夹紧是关键的稳定因素，在实际加工中，刀体会出现偏斜，刀体的偏斜取决于刀体材料、直径、悬伸、径向、切向切削力，以及刀体夹紧方式。

对于普通刀体而言，夹紧系统将刀体在圆周上完全夹紧的方式可获得最高的稳定性。整体支撑要好于螺钉直接夹紧的刀体，用螺钉将刀体夹紧在V型块上较为适合，但不推荐用螺钉直接夹紧圆柱柄刀体，因为螺钉直接作用在刀体上会损坏刀体。

图9 是两种内孔车刀的装夹方式。前者是用螺钉直接压住压力面，后者是通过开口夹套夹紧刀体。采用螺钉压紧的方式，刀体和孔的接触面积比较小，刀体的稳定性较差，比较容易出现振动；采用开口夹套的方式则是整个夹套紧紧地箍住刀体，刚性大大加强，抗振性能就好了许多。图10 是分体式刀座夹持结构，一般用在直径更大的场合。

图9 2 点压紧与多点压紧比较

图10 分体式刀座夹持结构

对于提高内孔车刀体抗振性能，推荐如下经验，可供参考：

1）为了确保内孔车刀体充分地夹紧接触面积，要求刀座夹持孔表面粗糙度值约为Ra1.0 μm；

2）推荐的夹紧长度为4 d。建议对直径超过200 mm 的内孔车刀体，由于质量很大，夹紧长度为6 d。

3）使用大直径内孔车刀体时，可采用两段式刀座。

4）推荐使用开口衬套来夹持的圆柄内孔车刀体。衬套夹持孔极限偏差为H7，材料最小硬度（HRC）为45（防止永久性变形）。

5 采用内冷方式减轻振动

内孔车削加工中，排屑对于加工效果和安全性能的影响也非常重要，特别是在加工深孔和盲孔时尤为如此。较短的螺旋屑是内孔车削较理想的切屑，该类型切屑比较容易被排出，并且在切屑折断时不会对切削刃造成大的压力。

加工时切屑过短，断屑作用过于强烈，会消耗更高的机床功率，并且会有加大振动的趋势。而切屑过长会使排屑更困难，离心力将切屑压向孔壁，残留的切屑被挤压到已加工工件表面，就会出现切屑堵塞的风险进而损坏刀具。因此，进行内孔车削时，推荐使用带内冷的刀具。这样，切削液将会有效地把切屑排出孔外。加工通孔时，也可用压缩空气代替切削液，通过主轴吹出切屑。另外，选择合适的刀片槽型和切削参数，也有助于切屑的控制和排出。

6 结语

高效率深孔车削加工是一个要求非常棘手的课题，现代金属切削技术为解决内孔车削振动提供了多种途径和方法，但在很多场合下，要综合考虑众多的切削条件，应合理选择最适宜的刀具结构，并结合机床自身条件和工件的加工工艺作出正确判定。