切削加工以及切削颤振简述

武俊卿

摘要：切削加工作为机械制造行业的传统生产加工工艺，是机械制造的流程中完成零件制作这一中心环节的重要生产技术，文章介绍了切削加工的基本方法，切削加工使用的刀具以及切削过程中产生的切削颤振和相应的控制方法。

关键词：切削加工；切削；颤振

切削加工是机械加工产品生产过程中必要而又值得信赖的技术手段，这一技术手段为了能够跟上市场需求的不停改变，对切削工具提出了新的要求，而切削刀具日新月异的发展又促使切削加工成为机械产品加工众多环节中备受关注的生产步骤。在切削加工过程中，也存在着大大小小的问题等待着我们去发现和总结，其中切削颤振就加工生产的主要问题之一，对切削颤振有一个细致的认识，进而采取一定的手段对其实施加工控制，是我们一直探索的科研课题。

1 切削加工概述

1.1 切削加工概念

在机械产品加工生产过程中，按照产品生产规格、质量、工艺等要求，技术人员需要利用合适的切削工具对选取材料进行切割塑形，这一加工生产程序被称作为切削加工。

1.2 切削加工的要素

满足切削加工的要拥有生产的三个重要因素，切屑刀具、切削运动和切削角度。简单的说，刀具就是进行机械生产加工的重要切割工具；刀具与被切割材料的相对运动，就是切削运动；刀具自身固有、安装以及切割金属时所参照的切割偏角数据，也就是切削角度。由于刀具是直接接触产品表面的生产工具，产品的表面微观粗糙程度，大小精确程度和外形都主要取决于刀具，所以刀具自身材料的硬度、柔韧度、抗腐蚀能力以及生产加工质量工艺等一系列的问题都会对切削加工机床的生产速度、产品质量、以及机床的使用寿命造成不可忽视的影响，进而影响到机械生产加工行业的技术整体水平，还会涉及到生产厂家的刀具生产信誉和使用刀具造成的经济损失。切削加工过程中，刀具对产品会产生一定的作用力，根据物体受力原理，会有相应的反作用力的产生，力的相互作用会给刀具带来一定的损耗，造成刀具固有角度的几何参数发生改变，从而对被加工产品产生影响。相关数据统计显示，越来越多的机械生产加工厂商开始注意到切削加工设备质量的重要性，拥有切削能力强、切削精度高、耐用可靠的切削刀具是机械产品生产质量的保障，也是企业革新的大势所趋，长久发展的生存之道。

1.3 切削加工的方法

常见的切削加工方法有很多，其中主要包括车削、磨削、锉削、刮削、镗削、铣削、刨削等等。虽然切削形式不尽相同，不过在很大程度上这些方法却遵循着相同的切削生产规律，演绎着相似的切削生产现象，而如此这些也是相关科研技术人员不断的探索研究切削加工方法的基本理论与依据。面对着国际市场对机械加工产品品质水准的提高，加工使用的材料切割难度加大，除了要选用适合的切割刀具以外，还可以采用不同的新式的切削加工办法，比如说针对一些导体材料，我们可以采取通电加热切削；加工钛合金、耐磨铸铁等材料时可以使用降低切削区域温度的方法；绝缘切削、利用稀有气体做保护气切削、超高速切削等许多新式的切削办法。虽然切削加工的方法多种多样，其实无外乎根据被切割材料特有物理以及化学性质以及切割刀具的性能采用经济适用、可实施性较强的切削加工方法。

2 切削颤振产生与危害

切削颤振也称自激振动，它是切削过程中工件和刀具之间自发产生的振动现象，它的出现将会带来表面质量的下降、刀具的损伤以及噪声的产生，限制生产率的提高，严重时甚至使加工过程无法进行。为了消除或抑制切削颤振给工业生产带来的危害，多年来，国内外许多学者在颤振的形成机理、影响因素以及颤振的预报与控制等方面做了大量的研究工作，并且也取得了丰硕的研究成果。

伴随着切削颤振而来的是噪音污染，并且大大的超出了国家规定标准，长时间在这种环境中工作的技术人员会产生一定的听觉疲劳，心血管系统疾病，工作效率也会随之下降，严重影响身体健康以及正常的工作生活。同时，切削颤振还会造成机械设备的耗损，缩短机械设备的使用寿命，不够精准的加工生产设备当然不能制造出高精度、高质量的机械产品。众多的连环反应就造成了不可避免的加工生产误差，严重的还会影响正常的生产加工，造成不必要的经济损失。在机床上面发生的自激振动类型较多，例如回转主轴系统的扭转或者弯曲自激振动；机床床身、立柱、横梁等支撑件的弯曲或扭摆自激振动；切屑形成的周期性引起的颤振和整台机床的摇晃。此外还有机床工作台等移动部件在低速运行时所发生的张弛摩擦自激振动等等。通常把金属切削过程中表现在刀具与工件间强烈的相对振动的这种自激振动称为“颤振”。切削过程中形成不连续切削的周期与工件、刀架或者机床的传动机构中的任一部分振动的固有周期相同，是产生颤振的主要原因之一。

切削颤振由切削过程中所产生的动态周期性力激发而引起，并能维持其振动不衰减。机械加工中的颤振是影响机械产品加工质量和机床切削效率的关键技术问题之一。切削颤振叠加在剥离多余金属必须的工作运动如切削、进给及切入运动上，并影响刀具乃至机床的使用寿命。为减小颤振所带来的不良影响，加工中被迫临时改变切削用量，如降低切削深度等。而这却妨碍充分利用机床额定功率，导致加工工时，即制造成本上升，延误工期。颤振问题在投资庞大的现代化数控机床上尤为值得关注，因为这类机床的经济性建立在其时间和功效方面的高度利用。

3 切削颤振理论与减小切削颤振的措施

3.1 切削颤振理论

3.1.1 再生颤振理论

目前，对切削颤振形成的物理原因，主要依据三种理论进行解释：再生颤振是由于上一次切削所形成的振纹与本次切削的振动位移之间的相位差异导致刀具切削厚度的不同而引起的颤振。

3.1.2 振型耦合理论

在某些完全不存在再生颤振条件的切削状态下，如在切削螺纹时，后一转的切削表面与前一转的切削表面完全没有重叠，但也经常发生颤振。由于这时刀尖与工作面的相对轨迹是一个近似椭圆，颤振同时产生在两个方向。人们由此得出结论：当振动系统在两个方向上的刚度相接近时，两个固有振型相耦合，因而引起颤振，进而提出在设计机床时应考虑如何配备机床各部件在不同方向的刚度。

3.2 减小切削颤振的措施

将主轴转速、进给量、切削宽度以及刀具角度等切削参数适当调整，即可抑制颤振的发生。其中最为突出的是改变主轴转速的变速切削，对颤振的抑制效果显著。因为机床整体结构的复杂性，控制颤振的理想手段应该 可以从其局部部件着手，包括对机床床身、立柱等基础部件的改进，以提高机床的抗振性能；也可以对机床的刀具结构进行必要的改进。新型切断刀的设计思想是建立在增大阻尼的基础之上，利用颤振理论结合刀具结构设计，解决切削加工中的颤振问题。

4 切削颤振科学研究的意义

理论上讲，通过一代又一代科研人员的辛勤努力，我们可以更加的明晰切削颤振的产生的原因，针对不同的原因可以构思不同的颤振控制理论，为生产实践提供理论依据；从实际的加工生产来说，合理的完整的科研理论指导，可以给切削加工工艺带来不断的革新，是不可避免的机械颤振可以变小甚至有一天可以实现无颤振的美梦，也能够为机械操作人员提供良好的工作环境，同时不至于造成切削工具的损坏，既节约了能源又提高了加工生产效率和经济利益。

5 结束语

社会主义市场经济的快步发展，人们竞争意识的增强，深入细致的了解切削加工过程中产生的刀具、切削颤振系列问题的本质特性，通过不断的科学探究实践，形成完整的科学理论体系，使机械制造行业拥有更加光明的发展前景。