切削振动的产生及解决

切削振动的原因刀具在切削工件时发生振动需要有下面三个条件同时存在：第一是包括刀具在内的工艺系统刚性不足导致其固有频率低，第二是切削产生了一个足够大的外激力，第三是这个外激力的频率与工艺系统的固有频率相同随即产生共振分清自激振动和强迫振动。刀具振动实际应该叫“切削振动，通常发生在长悬臂刀杆的镗削和铣削，薄壁件的切削加工，细长杆的车削等等。当环保做为车间考核的标准时，高速钻削产生的高频啸叫也和振动噪音一起列为技术公害。切削振动顾名思义只有在刀具进行切削时才产生，如果振动来自非切削因素如不稳定的机床地基，机床丝杠的间隙，主轴轴承的损坏甚至几百米以外火车的经过而产生的震动我们叫做强迫振动，这种振动不伴随噪音而非我们讨论的话题。切削振动产生噪音，但噪音并不是全由切削振动引起发生，机夹刀片铣刀在100米以上的切削速度每齿走刀在0.1毫米以上铣削3毫米的切深，即便是铣削灰口铸铁也会产生接近90分贝的噪音，而低频切削振动噪音常低于此值。切削振动是自激振动是一种正弦波振动，除了用专业仪器测量振频与波长外，最明显的是工件被加工表面有振纹。振动正常正常切削振动的三个分类声音加工表面质量产生条件高频啸叫类似哨音whistlescream类似起皱的丝绸小直径细长刀杆或者薄壁工件进行高转速切削中频振动类似汽车笛声horn类似鱼鳞中等直径铣刀杆中低转速，刀杆长径比超过5，刀杆振动低频振动类似蛙鸣froghorn类似鱼鳞但是之间的波纹很大又平缓大型结构工件产生自振，比如大的壳体.若是刀杆同时振动，可能是刀头过重而且刀杆连接部位配合不好，同时刀杆总长超长，转速通常在100转以下解决刀具振动的思路第一是减小切削力至最小第二是尽量增强刀具系统或者夹具与工件的静态刚性第三则是在刀杆内部再制造一个振动去打乱外激切削力的振频，从而消除刀具振动。机夹刀片车镗刀与铣刀的切削振动条件机加工描述产生振动的极限条件外圆车削被定义为细长轴的零件外圆车削，通常由尾部顶尖支撑但是没有跟刀架内孔车削，镗削通用的HRC40以上的合金钢刀杆，刀杆夹持悬深与刀杆直径比大于4；同时刀杆夹紧采用螺拴侧压，定位采用V型铁或孔柱间隙配合；刀尖偏离孔中心线0.1mm以上内螺纹车削通用的HRC40以上的合金钢刀杆，刀杆夹持悬深与刀杆直径比大于3刀杆夹紧采用螺拴侧压，定位采用V型铁或孔柱间隙配合；内孔槽的车削或镗削通用的HRC40以上的合金钢刀杆，刀杆夹持悬深与刀杆直径比大于2刀杆夹紧采用螺拴侧压，定位采用V型铁或孔柱间隙配合；铣刀通用的HRC40以上的合金钢刀杆，刀杆从主轴端部向外悬深与刀杆直径比大于3到4；模块化刀杆的模块接口磨损影响定位或者接口类型不适合铣削加工；刀杆的模块化接口之间拉紧力不够使用锋利的刀片来降低切削力非涂层刀片通常比涂层刀片要锋利即便是涂层刀片，物理涂层（PVD））也比化学涂层（CVD或MTCVD）刃口要锋利判断刃口的锋利度可以从它在指甲盖上是否划出成形的屑来判断刃口的钝化半径通常在35u到75u之间切深一定时使用小的刀尖圆弧半径比如刀片的刀尖角为0.8mm不变时，随着刀片切深的增加，细长的镗刀或铣刀杆振动倾向在切深ap和刀尖圆弧半径（r=0.8mm)相等时最大，当切深ap大于刀尖半径r后，刀杆的振动反而被抑制图中的R代表镗杆的弹变，可以看出当切深ap与等于刀尖圆弧半径时弹变最大，而且随着切深增加弹变不会再增加反而开始减小，因为径向切削力FCN在ap=r时最大，ap再增加只会增加轴向抗力，而轴向抗力不是细长刀杆产生振动弹变的原因，反过来还会使刀杆保持稳定。对于细长刀杆的镗刀和车削细长轴零件应采用90度主偏角刀具无论是外圆车刀车削细长轴，还是细长刀杆的镗刀镗孔，总是90度主偏角的刀具产生的径向切削力最小，同时刀片刃口产生的轴向力最大；45度主偏角的车镗刀易发生切削振动，因为产生振动的径向切削力与轴向力相等，而使用圆刀片时径向切削力大于轴向力，最易发生振动。对于细长杆的铣刀反而是圆刀片铣刀最有利于消振铣刀与镗刀相反，主偏角越接近90度径向切削力越大，刀杆振动越大。所以在模具深孔型腔的面铣削加工中通常选用45度主偏角铣刀，如果切深小于1mm常采用圆刀片铣刀或者球刀。200铣刀直径80，刀片直径16，PM槽型，4030刀片材质，切深2，每齿走刀0.3mm/z,铣宽60，铣削速度180m/min铣削HB220的45钢，无任何振动细长杆立铣刀铣削深型腔时常采用插铣方法插铣就是刀具象钻头一样轴向进刀，当铣削深的型腔时，通常长杆的悬伸大于3倍的刀杆直径，我们推荐使用轴向进刀的插铣方法，但是立铣刀刀片刃口有一定的径向切削刃，刀具供应商有技术资料证明此刀具在插铣时的最大吃刀宽度PlungeMill是专门用于模具和航空工业的大直径插铣刀，它最大的特点是高效率和超大切宽，通常用于大型深腔模具的开粗。薄壁工件的铣削加工薄壁工件铣削发生振动的原因完全来自于工件，这种工件被叫做箱式或者碗式零件(boxlikeorbowllikeshapeworkpiece)，由于振动来自于工件本身，那么技术人员各显神通，国外在处理这类零件的铣削加工主要以改善工件夹持为主，例如增加合适的辅助支撑点，在夹具和机床工作台面之间加装一层木板，用粗大的橡皮条或者弹簧勒在壳体的外面，在箱体内部充满湿沙子等等，奇思妙想不一而足。在铣削薄腹板时，推荐使用90度面铣刀以减小对腹板的轴向切削力。90的主偏角铣刀比如CoroMill390刀体，配以轻快的切削刃口刀片和正前角槽型的刀片，切削力最为轻快。内孔镗削时刀片刃形角越小越好这样副主偏角很大，副刃口与被加工面的颤动接触区小，颤动很难变成振动，副切削刃挤屑的机会也小，例如在镗削内孔时，镗刀的主偏角假设为93度，使用CCMT的刀片其副主偏角为7度，使用DCMT的刀片副主偏角为32度，切削要轻快的多。但是刃形角小的刀片安全性差。55°80°面铣刀采用疏齿不等距铣刀来减小铣削振动“齿”指刀片。同样直径的面铣刀比如100毫米，那么5个刀片的刀盘肯定比10个刀片的铣刀产生的铣削力小50%。其实5个刀片的100毫米刀盘相对于10个刀片的刀盘既为疏齿刀盘，如果刀片之间的间隔是不等的即为疏齿不等距铣刀，这种面铣刀不仅切削力小而且是没有固定频率去刺激工艺系统发生共振。还可以通过拆除现有刀盘上的刀片数目来实现疏齿铣削，但是要注意不能只摘除其中的某一两个刀片，这样的结果会使其相隔刀片因每齿走刀量翻备而造成刃口崩碎。正确的拆除办法是拆掉一半的刀片，所以在购买面铣刀时尽量避免奇数齿刀盘使用正前角和大后角的刀片配以轻快的断屑槽。pos.neg..这样的刀片在镗削或铣削中的切削楔入角最小，切削当然轻快。在车削与镗削中，7度和11度后角是最常见的刀片，刀片为螺钉夹持的最多，在20毫米以下的孔镗削中，即便不存在振动问题大家也通常选择11度后角的刀片，例如山特维克可乐满的TPMT,DPMT,VCEX的刀片（V型刀片后角为7度或11度）。后角以7或11度后角刀片为主要推荐，因为它们是ISO标准刀片，不同厂家的刀片可以互换车刀片适用于镗削加工，现代机夹车刀片按照粗精加工分为不同的短屑槽槽型，比如像可乐满刀片槽型PF,KM,MF,KR等，其中的第二位表示刀片适合的加工，F表示Finishing为精加工，这是适合做减振镗削的刀片，当然刀片应该配以刃口耐冲击的材质才可以，比如PF-4025,PF-4035,WK-4025等等。调整切削参数的方法调整切削参数只对切削振动不严重的刀具可能有效，一般的调整方法如下：降低刀具或者工件的回转速度，减小切深并提高刀具每转或者铣刀每齿走刀量。在内螺纹的车削中若产生振动，可将完成螺纹车削的进刀步骤减少1至2刀。。合理安排走刀的工艺路线合理安排走刀的工艺路线对于铣削加工非常重要。铣削有顺铣和逆铣之分，传统的铣削理论将逆铣有利于减少铣削振动，其实是指有利于抑制丝杠的间隙产生的振动。如今的铣削设备大都安装了滚珠甚至滚柱丝杠，所以逆铣消振的意义不大。无论是顺铣还是逆铣只要铣削力的方向与工件的夹持方向一致就有利于消除弯板类零件的振动如图提高刀杆的静态刚性(StaticToughness)最为简单明了的做法是加大刀杆的直径，将外伸刀杆的悬伸做到最短如果镗刀的刀尖产生160公斤的切削力，直径32毫米的镗刀杆悬伸320毫米时产生的刀杆前端弹变为1.6毫米，是同样这根刀杆悬伸128毫米时产生弹变的16倍！如果镗刀的刀尖产生160公斤的切削力，直径32毫米的镗刀杆悬伸320毫米时产生的刀杆前端弹变为1.6毫米，若把直径增粗到40毫米则端部弹变减小到0.64毫米！改善刀杆的夹持方法也很重要第二种和第三种方法刀杆与定位面只能产生线接触，在刀具振动时相对晃动，另外螺钉与刀杆接触部位压力与压强太大，重金属或者硬质合金刀杆在振动时易在这些点发生断裂。第一种方法先镗出与刀杆为过渡配合的孔，若是刀杆直径较大比如80毫米，然后将孔一侧铣开。侧面的夹紧螺钉中要有两个顶丝，利于大径较重的刀杆装配，其余的为刀杆夹紧螺栓。对于中小直径刀杆则是将孔剖为两半，每半的圆弧面淬火到HRC45，螺栓为两侧共同夹紧。夹套下面通常为铸铁机座。ClampingIIStrengthandStabilityofHolder45HRC4xDClampingIIIToolpostmustbalancebothBar&CuttingForce45HRC4xD选用好的刀具接口加工中心的传统7:24刀柄系统在长悬臂刀具加工时的抗振性能不如HSK和Big-Plus刀柄。加工中心的回转刀具(RotatingTools)分为整体式刀柄和模块式组合刀柄两种，模块式刀柄不一定比整体式刀柄的刚性差，只要刀柄的模块化接口是先进的短锥大端面双定位面系统，山特维克可乐满的Capto刀柄模块系统是其中的代表，它的+/2um的重复定位精度和完美的抗弯与抗扭特性使刀柄系统刚性得以保持，因为良好的组合性，倒锥型刀柄最大限度的提高了铣镗刀具的抗弯性能，并且为可乐满的多家竞争对手选为自己的刀具接口提高刀具的动态刚性—被动阻尼避振刀杆(Passivedampereliminate.vibrationbar)刀杆描述和加工部位主要减振策略长径比合金钢刀杆车削内孔降低与抑制切削力，增强刀具和工件的静态刚性4：1硬质合金刀杆车削内孔降低与抑制切削力，增强刀具和工件的静态刚性5~6：1标准Teness阻尼避振刀杆车削内孔增强刀具的动态刚性12:1特殊Teness阻尼避振刀杆车削内孔为专门加工设计的增强刀具的动态刚性系统同时增强刀具的静态刚性15~16：1提高刀具的动态刚性—被动阻尼避振刀杆(Passivedampereliminate.vibrationbar)mg