1、車削內孔時刀具振動的分析與解決方法 尹 霞（郵政編碼412000）摘 要：通過對車削內孔時刀具振動原因的深刻分析，提出了在保持高生產效率下的解決辦法，并在生產中得到應用。關鍵詞：刀具振動 長徑比 振動頻率 減輕振動 高效率 車削內孔的加工中，刀具的振動將會影響到加工精度。在傳統機械加工車間中刀具振動的解決還是采用老式的加工理論，往往是以犧牲生產效率為代價，并且其中許多加工理念已經不再適合現代加工技術。但隨著國外越來越多先進的機夾刀具進入到傳統機械加工車間后，給我們帶來了新的加工理念。現在向大家介紹這種高效率的解決方法。1. 刀具振動的原因 刀具振動實際應該切削振動，通常發生在長懸臂刀桿的鏜削和

2、銑削，薄壁件的切削加工等。切削振動顧名思義只有在刀具進行切削時才產生。而切削振動最明顯的是工件被加工表面有振紋。我們將振動分為三種。它們是高頻振動、中頻振動和低頻振動。 我們以內孔車刀桿的振動分析來看：刀尖切削工件時會產生切削力，這個力使鏜刀桿產生彈性變形，當刀尖上的鐵屑斷掉后，刀桿的彈性變形就恢復。隨著鐵屑不斷產生在斷掉，那么徑向切削力隨著鐵屑的生成和斷裂由大到小不斷變化，形成正玄波動鏜削力F。此力的大小和方向是一直有規律的變化，如果切削力的變化頻率等于或在刀具固有的彈變頻率范圍之內，鏜削振動就產生了。其實任何強壯的刀桿都不能確保切削時刀桿不會產生彈變，實際上刀片在切削時都是顫動的，但是只有

3、彈變足夠大時顫動才變為震動。 因此我們得到這樣的結論：刀具在切削工件時發生振動需要有以下三個條件同時存在：第一是包括刀具在內的工藝系統剛性不足導致其固有頻率低，第二是切削時產生了一個足夠大的外激力，第三是這個外激力的頻率與工藝系統固有頻率相同隨即產生共振。機加工描述產生振動的極限條件內孔車削、鏜削通用的HRC40以上的合金鋼刀桿，刀桿夾持懸伸與刀桿直徑比大于4；同時刀桿夾緊采用螺栓側壓，定位采用V型鐵或孔柱間隙配合；刀尖偏離孔中心線0.1mm以上內孔槽的車削或鏜削通用的HRC40以上的合金鋼刀桿，刀桿夾持懸伸與刀桿直徑比大于2；刀桿夾緊采用螺栓側壓，定位采用V型鐵或孔柱間隙配合 那么消除振動的

4、方法便可根據下面三個原則： 一是減小切削力至最小；二是盡量增強刀具系統或者夾具與工件的剛性；三是在刀桿內部再制造一個振動去打亂外激切削力的振頻，從而消除刀具振動。2. 采用阻尼避振刀桿從而減輕振動 我們雖然可通過改變刀桿的材質來達到消振的目的。即把鋼質刀桿改成整體硬質合金刀桿或重金屬刀桿，它的刀桿夾持懸伸與刀桿直徑避振極限比值（簡稱長徑比）可達7-8倍。是因為這些材料的抗壓強度大，合金鋼的抗壓強度為210 Gpa，而整體硬質合金的抗壓強度為900 Gpa，是鋼刀桿強度的2.5倍。重金屬是一種高比重的合金材料，淬火之前很軟容易切削成型，成型后可以淬硬，但是它的減振效果不如整體硬質合金刀桿。但隨著

5、采用重金屬和整體硬質合金做為刀桿，刀桿的重量增加許多；價格也上漲了許多，這是許多生產廠家在經濟上無法保證，有時甚至無法實現的。現在我們可從圖1中可看出，內孔車削受力復雜，單純提高刀體的強度很難解決振動問題，而且都會降低生產效率，犧牲刀片刃口的安全性。如果生產任務要求我們高效安全的進行更深的孔的加工，而且重復生產的操作性要強，解決這一瓶頸的辦法就是采用阻尼避振刀桿。圖1我們可以從一表格中了解各種材質的刀桿的夾持懸伸與刀桿直徑避振極限比值（簡稱長徑比）：刀桿描述和加工部位主要減振策略長徑比合金鋼刀桿車削內孔降低和抑制切削力，增強刀具和工件的靜態剛性4：1硬質合金刀桿車削內孔降低和抑制切削力，增強刀

6、具和工件的靜態剛性56：1標準Teness阻尼避振刀桿車削內孔增強刀具動態剛性12：1特殊Teness阻尼避振刀桿車削內孔專門加工設計的增強刀具的動態剛性系統同時增強刀具的靜態剛性1516：1首先要理解阻尼避振桿的工作原理，見圖2。假設在質量塊m的下面再用彈簧P吊裝另一個小質量g，只要依據一定的公式調節彈簧P的阻尼（例如做成銅絲彈簧或者腰鼓型的彈簧另外改變彈簧的長度）和g的質量，在外力錘擊m后g通過P和m一起振動，但是振頻相差 /2，即m向下落時g開始向上彈，m向上彈時g向下落，從而在m振動不到一個周期內將m至于平穩狀態，隨然外力F不斷按一定的頻率施加在m上，但之間g隨著F振動而m始終是近乎靜

7、止的。見圖2。 圖2 其次我們再來分析阻尼避振鏜刀桿的內部結構。見圖3。圖31、鏜刀桿的前部是空管，中間的管是內冷水供應管，越是深孔加工，冷卻和排屑越重要。2、黑色的是強力橡膠圈，上面支撐的灰色環是硬質合金環，它們兩個與刀桿內壁之間充滿了液壓油；3、橡膠圈，硬質合金環與液壓油構成了一個阻尼質量系統相當于上圖2中的P和g，而且這一系統的阻尼可以做成阻尼可調節的機構。4、570接口與刀桿過盈安裝；5、570齒牙接口前端可以安裝各種內孔車刀，比如鏜刀、槽刀和螺紋刀。 例如：懸伸300毫米的25毫米直徑阻尼鏜桿，在鏜削調質鋼40Cr時，切深1.5毫米，走刀0.02毫米。刀尖從切到工件開始振動（振幅0.

8、12毫米）到刀尖被消除振動只用了0.03秒。見圖4所示圖4此外還可采用重金屬、硬質合金為刀桿材料再加上減振機構的組合，這樣可達到刀桿的夾持懸伸與刀桿直徑避振極限比值即長徑比14。達到最佳的避振效果，從而減輕振動。3. 降低切削力產生的切削振動從而減輕振動 對于細長刀桿的鏜刀或者細長桿的外圓車削時，采用90°主偏角的刀具有利于消振。因為無論是外圓車刀車削細長軸，還是細長刀桿的鏜刀鏜孔，總是90°主偏角的刀具產生的徑向切削力最小，同時刀片刃口產生的軸向力最大；45度主偏角的車鏜刀易發生切削振動，因為產生振動的徑向切削力與軸向力相等，而使用圓刀片時徑向切削力大于軸向力，最易發生振

9、動。見圖5圖5 切深一定時減小刀尖圓弧半徑r可以降低切削力特別是徑向切削力，而徑向切削力是使細長桿類刀具或工件切削發生振動的罪魁禍首。刀尖圓弧半徑與振動傾向的關系是：在相同的切削深度時，刀尖圓弧半徑越大，細長刀桿發生振動的傾向越大，無論是鏜削還是銑削。見圖6 圖6r=0.2 時，切削力較小 r=0.8時，切削力較大 使用鋒利的刀片來降低切削力。機加刀片分為涂層和非涂層刀片，非涂層刀片通常比涂層刀片要鋒利，因為刀片如果要涂層一定要進行刃口的鈍化處理，鋒利的刃口將影響涂層在刃口部位的粘結強度。即便是涂層刀片，物理刀片（PVD）也比化學涂層（VCD）刃口要鋒利。因為化學涂層材料經常是大約10微米厚的

10、三氧化鋁。我們知道，現代機夾刀片采用的刀片材料按照其硬度分為六類：非涂層硬質合金、涂層硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼CBN和人造金剛石。因此，若使切削力降低，推薦使用非涂層硬質合金或物理涂層的鈷基硬質合金刀片。 內孔鏜削時刀片刃形角越小越好，這樣副主偏角很大，副刃口與被加工面的顫動接觸區小，顫動很難變成振動，副切削刃擠削的機會也小。圖中黃色部分是接觸區，可以很明顯看出刀片刃形角等于55°比80°的顫動接觸區小，這樣振動的機會很少。見圖7。圖7 使用正前角和大后角的刀片配以輕快的斷屑槽。這樣的刀片在鏜削中的切削楔入角最小，切削當然輕快。在車削與鏜削中，主要推薦7度和11

11、度后角的刀片，這是最常見的刀片，也是ISO標準刀片，不同廠家的刀片可以互換。 調整切削參數。 調整切削參數只對切削振動不嚴重的刀具可能有效，一般的調整方法如下：減低刀具或者工件的回轉速度，減小切深并提高刀具每轉走刀量。在內螺紋的車削中若產生振動，可以完成螺紋車削的進刀步驟減小1至2刀。4. 改善刀桿的夾持方法從而減輕振動 傳統的螺釘夾緊的方法是不利于消除振動的，最好的辦法也是最易操作的是采用變形夾套的方法。如圖8所示。這種方法先鏜出與刀桿為過渡配合的孔，若是刀桿直徑比較大如80毫米，可將孔的一側銑開。側面的夾緊螺釘中要有兩個頂絲，利用大徑較重的刀桿裝配，其余的為刀桿夾緊螺栓。對于中小直徑刀桿則

12、是將孔剖為兩半，每半的圓弧面淬火到HRC45，螺栓為兩側共同夾緊。夾套下面通常為鑄鐵機座。圖8 采用Capto刀柄模塊夾持方式。Capto刀柄模塊系統采用先進的短錐大端面雙定位面系統。它的±2m的重復定位精度和完美的抗彎與抗扭特性使刀柄系統剛性得以保持，因為良好的組合性，倒錐型刀柄最大限度的提高了鏜銑刀具的抗彎性能。并且這種接口具有廣泛的通用性。見圖9圖95、 采用刀具內部冷卻的方式。 內冷卻和排屑這兩個問題雖然不會直接影響到加工振動，但對工藝可行性和穩定性有很大的影響，冷卻不充分和排屑不暢會直接導致刀具壽命急劇下降、甚至是工藝方案不成立。由于采用常見的加冷卻液的方法無法到達深孔加工的部位，因此排屑和冷卻是沒有效果的。所以在深孔加工中采用了刀具內部冷卻的方式，這種鏜刀桿的前部是空管，中間的管是冷水供應管，它有效地降低了加工部位的溫度，并且利用冷卻液的壓力迅速帶走了鐵屑。因此越深孔加工，冷卻和排屑越重要。結束語：傳統