車削內(nèi)孔時(shí)刀具振刀問題和解決辦法

1、車削內(nèi)孔時(shí)刀具振動(dòng)的分析與解決方法 尹 霞（郵政編碼412000）摘 要：通過對(duì)車削內(nèi)孔時(shí)刀具振動(dòng)原因的深刻分析，提出了在保持高生產(chǎn)效率下的解決辦法，并在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。關(guān)鍵詞：刀具振動(dòng) 長(zhǎng)徑比 振動(dòng)頻率 減輕振動(dòng) 高效率 車削內(nèi)孔的加工中，刀具的振動(dòng)將會(huì)影響到加工精度。在傳統(tǒng)機(jī)械加工車間中刀具振動(dòng)的解決還是采用老式的加工理論，往往是以犧牲生產(chǎn)效率為代價(jià)，并且其中許多加工理念已經(jīng)不再適合現(xiàn)代加工技術(shù)。但隨著國(guó)外越來越多先進(jìn)的機(jī)夾刀具進(jìn)入到傳統(tǒng)機(jī)械加工車間后，給我們帶來了新的加工理念。現(xiàn)在向大家介紹這種高效率的解決方法。1. 刀具振動(dòng)的原因 刀具振動(dòng)實(shí)際應(yīng)該切削振動(dòng)，通常發(fā)生在長(zhǎng)懸臂刀桿的鏜削和

2、銑削，薄壁件的切削加工等。切削振動(dòng)顧名思義只有在刀具進(jìn)行切削時(shí)才產(chǎn)生。而切削振動(dòng)最明顯的是工件被加工表面有振紋。我們將振動(dòng)分為三種。它們是高頻振動(dòng)、中頻振動(dòng)和低頻振動(dòng)。 我們以內(nèi)孔車刀桿的振動(dòng)分析來看：刀尖切削工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生切削力，這個(gè)力使鏜刀桿產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)?shù)都馍系蔫F屑斷掉后，刀桿的彈性變形就恢復(fù)。隨著鐵屑不斷產(chǎn)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(dòng)鏜削力f。此力的大小和方向是一直有規(guī)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(nèi)，鏜削振動(dòng)就產(chǎn)生了。其實(shí)任何強(qiáng)壯的刀桿都不能確保切削時(shí)刀桿不會(huì)產(chǎn)生彈變，實(shí)際上刀片在切削時(shí)都是顫動(dòng)的，但是只有

3、彈變足夠大時(shí)顫動(dòng)才變?yōu)檎饎?dòng)。 因此我們得到這樣的結(jié)論：刀具在切削工件時(shí)發(fā)生振動(dòng)需要有以下三個(gè)條件同時(shí)存在：第一是包括刀具在內(nèi)的工藝系統(tǒng)剛性不足導(dǎo)致其固有頻率低，第二是切削時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)足夠大的外激力，第三是這個(gè)外激力的頻率與工藝系統(tǒng)固有頻率相同隨即產(chǎn)生共振。機(jī)加工描述產(chǎn)生振動(dòng)的極限條件內(nèi)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(shí)刀桿夾緊采用螺栓側(cè)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(nèi)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(cè)壓，定位采用v型鐵或孔柱間隙配合 那么消除振動(dòng)的

4、方法便可根據(jù)下面三個(gè)原則： 一是減小切削力至最?。欢潜M量增強(qiáng)刀具系統(tǒng)或者夾具與工件的剛性；三是在刀桿內(nèi)部再制造一個(gè)振動(dòng)去打亂外激切削力的振頻，從而消除刀具振動(dòng)。2. 采用阻尼避振刀桿從而減輕振動(dòng) 我們雖然可通過改變刀桿的材質(zhì)來達(dá)到消振的目的。即把鋼質(zhì)刀桿改成整體硬質(zhì)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(jiǎn)稱長(zhǎng)徑比）可達(dá)7-8倍。是因?yàn)檫@些材料的抗壓強(qiáng)度大，合金鋼的抗壓強(qiáng)度為210 gpa，而整體硬質(zhì)合金的抗壓強(qiáng)度為900 gpa，是鋼刀桿強(qiáng)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(zhì)合金刀桿。但隨著

5、采用重金屬和整體硬質(zhì)合金做為刀桿，刀桿的重量增加許多；價(jià)格也上漲了許多，這是許多生產(chǎn)廠家在經(jīng)濟(jì)上無法保證，有時(shí)甚至無法實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)在我們可從圖1中可看出，內(nèi)孔車削受力復(fù)雜，單純提高刀體的強(qiáng)度很難解決振動(dòng)問題，而且都會(huì)降低生產(chǎn)效率，犧牲刀片刃口的安全性。如果生產(chǎn)任務(wù)要求我們高效安全的進(jìn)行更深的孔的加工，而且重復(fù)生產(chǎn)的操作性要強(qiáng)，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(zhì)的刀桿的夾持懸伸與刀桿直徑避振極限比值（簡(jiǎn)稱長(zhǎng)徑比）：刀桿描述和加工部位主要減振策略長(zhǎng)徑比合金鋼刀桿車削內(nèi)孔降低和抑制切削力，增強(qiáng)刀具和工件的靜態(tài)剛性4：1硬質(zhì)合金刀桿車削內(nèi)孔降低和抑制切削力，增強(qiáng)刀

6、具和工件的靜態(tài)剛性56：1標(biāo)準(zhǔn)teness阻尼避振刀桿車削內(nèi)孔增強(qiáng)刀具動(dòng)態(tài)剛性12：1特殊teness阻尼避振刀桿車削內(nèi)孔專門加工設(shè)計(jì)的增強(qiáng)刀具的動(dòng)態(tài)剛性系統(tǒng)同時(shí)增強(qiáng)刀具的靜態(tài)剛性1516：1首先要理解阻尼避振桿的工作原理，見圖2。假設(shè)在質(zhì)量塊m的下面再用彈簧p吊裝另一個(gè)小質(zhì)量g，只要依據(jù)一定的公式調(diào)節(jié)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(zhǎng)度）和g的質(zhì)量，在外力錘擊m后g通過p和m一起振動(dòng)，但是振頻相差 /2，即m向下落時(shí)g開始向上彈，m向上彈時(shí)g向下落，從而在m振動(dòng)不到一個(gè)周期內(nèi)將m至于平穩(wěn)狀態(tài)，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(dòng)而m始終是近乎靜

7、止的。見圖2。 圖2 其次我們?cè)賮矸治鲎枘岜苷耒M刀桿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。見圖3。圖31、鏜刀桿的前部是空管，中間的管是內(nèi)冷水供應(yīng)管，越是深孔加工，冷卻和排屑越重要。2、黑色的是強(qiáng)力橡膠圈，上面支撐的灰色環(huán)是硬質(zhì)合金環(huán)，它們兩個(gè)與刀桿內(nèi)壁之間充滿了液壓油；3、橡膠圈，硬質(zhì)合金環(huán)與液壓油構(gòu)成了一個(gè)阻尼質(zhì)量系統(tǒng)相當(dāng)于上圖2中的p和g，而且這一系統(tǒng)的阻尼可以做成阻尼可調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)。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(nèi)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(diào)質(zhì)鋼40cr時(shí)，切深1.5毫米，走刀0.02毫米。刀尖從切到工件開始振動(dòng)（振幅0.

8、12毫米）到刀尖被消除振動(dòng)只用了0.03秒。見圖4所示圖4此外還可采用重金屬、硬質(zhì)合金為刀桿材料再加上減振機(jī)構(gòu)的組合，這樣可達(dá)到刀桿的夾持懸伸與刀桿直徑避振極限比值即長(zhǎng)徑比14。達(dá)到最佳的避振效果，從而減輕振動(dòng)。3. 降低切削力產(chǎn)生的切削振動(dòng)從而減輕振動(dòng) 對(duì)于細(xì)長(zhǎng)刀桿的鏜刀或者細(xì)長(zhǎng)桿的外圓車削時(shí)，采用90主偏角的刀具有利于消振。因?yàn)闊o論是外圓車刀車削細(xì)長(zhǎng)軸，還是細(xì)長(zhǎng)刀桿的鏜刀鏜孔，總是90主偏角的刀具產(chǎn)生的徑向切削力最小，同時(shí)刀片刃口產(chǎn)生的軸向力最大；45度主偏角的車鏜刀易發(fā)生切削振動(dòng)，因?yàn)楫a(chǎn)生振動(dòng)的徑向切削力與軸向力相等，而使用圓刀片時(shí)徑向切削力大于軸向力，最易發(fā)生振動(dòng)。見圖5圖5 切深一定

9、時(shí)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(xì)長(zhǎng)桿類刀具或工件切削發(fā)生振動(dòng)的罪魁禍?zhǔn)?。刀尖圓弧半徑與振動(dòng)傾向的關(guān)系是：在相同的切削深度時(shí)，刀尖圓弧半徑越大，細(xì)長(zhǎng)刀桿發(fā)生振動(dòng)的傾向越大，無論是鏜削還是銑削。見圖6 圖6r=0.2 時(shí)，切削力較小 r=0.8時(shí)，切削力較大 使用鋒利的刀片來降低切削力。機(jī)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?yàn)榈镀绻繉右欢ㄒM(jìn)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(jié)強(qiáng)度。即便是涂層刀片，物理刀片（pvd）也比化學(xué)涂層（vcd）刃口要鋒利。因?yàn)榛瘜W(xué)涂層材料經(jīng)常是大約10微米厚的三氧化鋁。我們知道，現(xiàn)代

10、機(jī)夾刀片采用的刀片材料按照其硬度分為六類：非涂層硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)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(zhì)合金或物理涂層的鈷基硬質(zhì)合金刀片。 內(nèi)孔鏜削時(shí)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(dòng)接觸區(qū)小，顫動(dòng)很難變成振動(dòng)，副切削刃擠削的機(jī)會(huì)也小。圖中黃色部分是接觸區(qū)，可以很明顯看出刀片刃形角等于55比80的顫動(dòng)接觸區(qū)小，這樣振動(dòng)的機(jī)會(huì)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(dāng)然輕快。在車削與鏜削中，主要推薦7度和11度后角的刀片，這是最常見的刀片，也是iso標(biāo)準(zhǔn)刀

11、片，不同廠家的刀片可以互換。 調(diào)整切削參數(shù)。 調(diào)整切削參數(shù)只對(duì)切削振動(dòng)不嚴(yán)重的刀具可能有效，一般的調(diào)整方法如下：減低刀具或者工件的回轉(zhuǎn)速度，減小切深并提高刀具每轉(zhuǎn)走刀量。在內(nèi)螺紋的車削中若產(chǎn)生振動(dòng)，可以完成螺紋車削的進(jìn)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(dòng) 傳統(tǒng)的螺釘夾緊的方法是不利于消除振動(dòng)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(cè)銑開。側(cè)面的夾緊螺釘中要有兩個(gè)頂絲，利用大徑較重的刀桿裝配，其余的為刀桿夾緊螺栓。對(duì)于中小直徑刀桿則是將孔剖為兩半，每半的圓弧面淬火到hrc45，螺

12、栓為兩側(cè)共同夾緊。夾套下面通常為鑄鐵機(jī)座。圖8 采用capto刀柄模塊夾持方式。capto刀柄模塊系統(tǒng)采用先進(jìn)的短錐大端面雙定位面系統(tǒng)。它的2m的重復(fù)定位精度和完美的抗彎與抗扭特性使刀柄系統(tǒng)剛性得以保持，因?yàn)榱己玫慕M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(nèi)部冷卻的方式。 內(nèi)冷卻和排屑這兩個(gè)問題雖然不會(huì)直接影響到加工振動(dòng)，但對(duì)工藝可行性和穩(wěn)定性有很大的影響，冷卻不充分和排屑不暢會(huì)直接導(dǎo)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(dá)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(nèi)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(yīng)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(jié)束語：傳統(tǒng)的