振刀纹形状的种类及成因---请教

shopturn · 发表于 2009-6-10 20:56:48

前辈师傅们，振刀在机械加工中十分常见，能否帮我总结一下振刀纹形状的种类及成因。
谢谢！

珠穆朗玛 · 发表于 2009-6-10 20:58:15

振刀？还没听说过，介绍一下学习

shopturn · 发表于 2009-6-10 22:01:58

小弟先开个头，引网上的一篇文章，权当抛砖引玉。
车床切削振刀原因与改善对策（原文地址：http://qzone.qq.com/blog/22503173-1238333748 ）
一、摘要
一般使用车床进行机械加工时，会发生所谓的“振刀”的场合约有以下几种场合：

（一)利用成型刀片进行成形车削。
（二）细长圆杆的外圆车削。
（三）薄肉圆杆的外圆车削。
（四）箱形部品（如钣金焊接结构件）车削。
（五）超硬材质切削。
（六）轴承已受损而继续切削等。

　　当振刀发生时，刀具、工件与车床的振动往往导致工厂内部有刺耳的噪音，而其振幅大小单边达数十微米(μm)以上，有时其至高达100微米以上亦所在多闻。这种振刀不仅造成刀具或工件的夹持变松之外，同时也因其吵闹的噪音对操作人员造成不良的身心影响，而加工精度也因此无法达成客户的要求，因此各工具机厂莫不战战兢兢地将振刀问题之排除视为草大的挑战。

　　本文简要的描述“振刀”的分类与挑除的方法，并且以一个实际的案例说明振刀的问题排除与防治之道。透过仪器的实测，将原来的振动藉由局部的修改设计而达到高达十倍以上的改善成果。

二、基本方法
　　有关工具机的颤振(Chattering)学理分析在工具机研究上属于相当艰深的一门学问，其产生来源与加工材质、机械设计及切削条件有着相当的关联[2,3]，一般以图2.1来解释整个切削系统，其中“切削过程”牵涉到材质（工件）的硬度、进给的大小等等，而“机器结构”部份则牵涉到工具机各单体结构强度设计，诸如主轴轴承、头部本体，刀盘设计以及刀具夹持等特性。由于学理有着一大堆数学方程式[4]，在此不对此部份做深入的介绍，仅将一般客户常发生的振刀现象，概分成以下两类：

（一）强制振动(Forced Vibration)
　　这是在断续切削而导致的强制振动或者是因转动零件有瑕玼而造成的振动，一般常见常见的如轴承的损坏而造成的异音或齿轮啮合不佳以及工件夹持不佳、主轴摆幅过大等现象皆属此类。这类问题中，断续车削属于加工技术问题，而零件瑕玼即大部份来自于工具机的装配技术及其关键零组件的质量控制，而且也与机台结构设计理念有关。其特征为振动的特性与转数的大小有直接的关联。　

（二）自激振动(Self-excited Uibration)
　　这是因为切削加工时具有周期性的工作凹凸不平特性造成周期相位的少许错开而又反复重迭的再生效果所产生的影响一般又可称之为“共振”(Resonance)，其主因来自于工具机结构的自然频率受到激发或者是工件夹持系统的自频率过低而受到激发所引起。由于结构的自然频率只随夹持或固定方式的改变而改变，因此振刀发生时，改变切削条件（如改变转速）往往石以改善切削振动，然而在某些无法改变切削速度的场合（如攻牙或某些材质的切削），往往只有借助于夹持方式的变更，甚至于改变刀具或刀具固定方式才能解决这类问题。

三、抑制振刀的对策

　　依据研究所得的振刀原理，目前应用于加工现场中有一些比较具体而实用的方法：

（一）尽量选择切削阻抗较小的一切条件，亦即最适当的刀具进给速率与切削速度（或主轴转速）。

（二）调整切削速度以避开共振。
（三）减轻造成振动的部份的工作重量，惯性越小越好。
（四）针对振动最大的地方予以固定或夹持，如中心架、工作保持器等。
（五）提高加工系统的刚性，例如使用弹性系数较高的刀柄或使用加入动态减振器(Dynamic Damper)的特殊抗震力，以吸收冲击能量。
（六）从刀片与工作旋转方向下功夫（如图3.1中所示，工作将刀具下压同时也增高刀具的稳定性）。
（七）改变刀具的外型与进角，例如（图3.2）：鼻端半径(Nose Radius)越小越好，以降低切削阻力。侧倾角(Sick Rake Angle) 必须取正值，以使切削方向更近垂直。后倾角(Back Rake Augle) 最好为正值，惟甚去屑切屑能力相　　　　　　对变差，因此一般可选用槽刑刀以使倾角变为负值，但仍保有正值的切削效果。　

（４）导角(Lead Augle)越小越好，最好为零。

　　端切削缘角(end Cutting Edge Augle)越大越好，以减少刀具在工作上的摩耗，惟其支撑刀具的能力亦相对降低。

四、案例研究
　　图4是一个车床车攻不锈钢工作的内牙而产生振刀的一个案例，仔细观察该工作的振刀可以发现内径分布着非常均匀的振刀刮痕，因此可以确认此现象属于固定频率的振动现象至于振刀发生的主要以及如何分析该振动是属于强制制动或自激振动而采取不同的对策，现场的工作经验固然可解决这个困扰，本文中则尝试以另一个利用学理以及量测仪器（频谱分析仪）来找出振动主因并进而改善振动的方法。

　　工作的材质为不锈钢，所使用的刀具为Φ20的内牙刀，由于是攻内牙，因此进给率和转速是固定不变的（亦即不能改变进给率以改善切削状况），于本案中，进给率F＝2.309mm/ reu，转速N＝1120 rpm。利用振动频谱分析仪，将其中一个加速规(Accelerameter) 贴置于轴承外盖，另一个加速规贴并于刀盘后方之Z轴方向，可以得到如图4.2的频谱图，从图上可以发现，刀盘上的振动量(533.65mg)高过于主轴上的振动量(427.818mg)，意味着刀具的振动大于主轴或轴承的振动；而从最高峰的频率来看，2200Hz的频率是整个系统的振动频率，如此高频的振动可以粗估为刀具振刀，图4.3则尝试改变不同的转速(N＝855rpm)，从图上可以明显的看出振幅因为转速的减慢而变小，但是振动频率依旧维持在2200Hz！这种现象告诉我们，这种振动与转速无关，而是一种自激式振动，亦即刀具系统（或可说是切削系统）的结构自然频率(Natural Frquency)被切削刀所激发。

　　在推断振刀的型态方面，另有一个方法可以大略估算振动频率以正确掌握该振动为强制振动或自激式振动。在本案例中，由于振刀会周期性的振动而在工件内牙面留下一齿一齿的颤纹，其颤纹间距为：
　　　　2π N △L＝（──?──）R 　60 f 　　
　　其中N为转速(rpm)，R为牙面的半径，f为振动频率而△l为颤纹间距，倘若△l随着小值的不同而不同，且成正比关系，则可确认频率f为定值，因而断定是结构自然频率问题，并可依公式推算此频率值与量测频率是否接近，如此一来，改善振动就变得比较有方向与方法可循了。

五、振刀改善方法：

　　本文第三节中所提到的抑制振刀对策中，在本案例中受到一些限制：

（１）车螺牙无法改变进刀速度，否则会使节距(Pitch)改变。
（２）内牙刀无法改变进刀的角度。
（３）材质硬度限制切削速度，而切削速度（或转速）则直接影响到生产量。　　
　　因此在本案中，只有借助于更高级的抗震刀或者改变原切削系统的刚性（或夹持能力）的方法了，然而前者意味着客户必须负担较高的刀具成本却只能做到其它竞争对手用一般刀具使能生产的质量条件，当然无法令客户满意，因此在本案中，重新改变原始的刀具夹持设计，例如选用较长的刀具座或者刀具衬套，甚至改变刀盘的厚度都是可行的方法，又如将切削之内牙刀与刀具座焊接在一起都是可行的方法，当然，最治本的方法当然是改变刀盘厚度的设计了。

　　图5.1即为只更换衬套，但不更改刀具座的频谱量测结果，从频谱中可以清楚的看出其振动幅已由原来的427.818㎎降低到43.577㎎，足足改善近十倍，而原来金属断续切削之刺耳声当然亦转为正常切削之顺耳的声音了。图5.2显示改善过后的工作外型已相当的漂亮了。

六、结论
　　本文主要探讨CNC车床在切削时发生所谓“振刀”的可能原因以及改善的方法，并透过车攻内牙的案例介绍，将实际切削所发生的振刀利用频谱分析仪与加速规将振动时特性量测下来以做为振动诊断的要因分析之参考。在本案例中，透过刀具座与衬套的局部修正即可解决令人头痛的振动问题。然而对工具机制造厂而言，真正的设计应该是在结构上尽量避免强度的不足与振刀的发生，否则将只是亡羊补牢。就本案例而言，刀盘厚度的最佳与设计值得进一步的研究，以确保机器切削之高稳定性。

请各位前辈师傅们帮我讨论

小链机 · 发表于 2009-6-10 23:48:49

学习学习，这方面的资料还真不多啊。

hjk3xd · 发表于 2011-6-3 21:21:51

学习了，非常感谢！

喝雪花干车床 · 发表于 2011-6-3 21:38:39

总结的很高深。不知能不能彻底消化、理解、使用

zhj309 · 发表于 2011-6-4 13:12:52

以前做过类似的工装，不过是铣不均匀分布的槽的工装。

国庆wq · 发表于 2012-9-21 14:06:51

学习下

昊天大帝 · 发表于 2012-9-21 20:47:24

学习下，这样的情况遇见的还真不少，主要是通过改变切削3要数解决的的，很复杂的情况还真没见过！~！~

加工将来 · 发表于 2012-9-21 20:58:22

可以利用变速车削，可以手动，也可以用M指令。

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