车床切削振刀原因与改善对策

国际金属加工网 2017年02月08日

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。

一、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於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],一般以上图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。

由於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,断续车削属於加工技术问题,而零件瑕玼即大部份来自於工具机的装配技术及其关键零组件的品质控制,而且也与机台结构设计理念有关。其 特徵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覆重叠的再生效果所产生的影响一般又可称之为“共振” (Resonance),其主因来自於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。由於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),往往只有借助於夹持方式的变更,甚至於改变刀具或刀具固定方式才能解决这类问题。

二、抑制振刀的对策

依据研究所得的振刀原理,目前应用於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(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:鼻端半径(Nose Radius)越小越好,以降低切削阻力。 侧倾角(Sick RakeAngle) 必须取正值,以使切削方向更近垂直。後倾角(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。

(八)导角(Lead Augle)越小越好,最好为零。


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