振刀紋形狀的種類及成因---請(qǐng)教

shopturn

前輩師傅們，振刀在機(jī)械加工中十分常見(jiàn)，能否幫我總結(jié)一下振刀紋形狀的種類及成因。
謝謝！

珠穆朗瑪

振刀？還沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)，介紹一下學(xué)習(xí)

shopturn

小弟先開(kāi)個(gè)頭，引網(wǎng)上的一篇文章，權(quán)當(dāng)拋磚引玉。
車床切削振刀原因與改善對(duì)策（原文地址：http://qzone.qq.com/blog/22503173-1238333748 ）
一、摘要
% x3 L" e; Z4 }* [- {8 N0 \一般使用車床進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，會(huì)發(fā)生所謂的“振刀”的場(chǎng)合約有以下幾種場(chǎng)合：
8 }3 J$ \* }7 r/ i) L% T% y" G
9 R/ x6 P% w5 B; }' \（一)利用成型刀片進(jìn)行成形車削。
2 t3 l' O+ H0 C. r5 j（二）細(xì)長(zhǎng)圓桿的外圓車削。
' S) X$ f8 }3 c6 [' F; p（三）薄肉圓桿的外圓車削。
* p1 p. _. u' G: r8 U( t（四）箱形部品（如鈑金焊接結(jié)構(gòu)件）車削。
; s8 J& i9 B* x2 r. {) L. [: a) i. R) \0 D（五）超硬材質(zhì)切削。
（六）軸承已受損而繼續(xù)切削等。
6 x3 _& W% J) S2 D* p; o
　　當(dāng)振刀發(fā)生時(shí)，刀具、工件與車床的振動(dòng)往往導(dǎo)致工廠內(nèi)部有刺耳的噪音，而其振幅大小單邊達(dá)數(shù)十微米(μm)以上，有時(shí)其至高達(dá)100微米以上亦所在多聞。這種振刀不僅造成刀具或工件的夾持變松之外，同時(shí)也因其吵鬧的噪音對(duì)操作人員造成不良的身心影響，而加工精度也因此無(wú)法達(dá)成客戶的要求，因此各工具機(jī)廠莫不戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢地將振刀問(wèn)題之排除視為草大的挑戰(zhàn)。

　　本文簡(jiǎn)要的描述“振刀”的分類與挑除的方法，并且以一個(gè)實(shí)際的案例說(shuō)明振刀的問(wèn)題排除與防治之道。透過(guò)儀器的實(shí)測(cè)，將原來(lái)的振動(dòng)藉由局部的修改設(shè)計(jì)而達(dá)到高達(dá)十倍以上的改善成果。
3 u, D9 }7 a/ C/ I% h9 F
/ A9 {- b1 D# a6 j  i3 U, i二、基本方法
2 F" g$ a1 I, F; m( M　　有關(guān)工具機(jī)的顫振(Chattering)學(xué)理分析在工具機(jī)研究上屬于相當(dāng)艱深的一門學(xué)問(wèn)，其產(chǎn)生來(lái)源與加工材質(zhì)、機(jī)械設(shè)計(jì)及切削條件有著相當(dāng)?shù)年P(guān)聯(lián)[2,3]，一般以圖2.1來(lái)解釋整個(gè)切削系統(tǒng)，其中“切削過(guò)程”牽涉到材質(zhì)（工件）的硬度、進(jìn)給的大小等等，而“機(jī)器結(jié)構(gòu)”部份則牽涉到工具機(jī)各單體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，諸如主軸軸承、頭部本體，刀盤設(shè)計(jì)以及刀具夾持等特性。由于學(xué)理有著一大堆數(shù)學(xué)方程式[4]，在此不對(duì)此部份做深入的介紹，僅將一般客戶常發(fā)生的振刀現(xiàn)象，概分成以下兩類：
  w# Q/ A- I) E$ `) ?& @6 Q5 e# l
8 N4 y- P  u: C  Z（一）強(qiáng)制振動(dòng)(Forced Vibration)
" O* B9 J2 m; G0 ?, M& J% E　　這是在斷續(xù)切削而導(dǎo)致的強(qiáng)制振動(dòng)或者是因轉(zhuǎn)動(dòng)零件有瑕玼而造成的振動(dòng)，一般常見(jiàn)常見(jiàn)的如軸承的損壞而造成的異音或齒輪嚙合不佳以及工件夾持不佳、主軸擺幅過(guò)大等現(xiàn)象皆屬此類。這類問(wèn)題中，斷續(xù)車削屬于加工技術(shù)問(wèn)題，而零件瑕玼即大部份來(lái)自于工具機(jī)的裝配技術(shù)及其關(guān)鍵零組件的質(zhì)量控制，而且也與機(jī)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念有關(guān)。其特征為振動(dòng)的特性與轉(zhuǎn)數(shù)的大小有直接的關(guān)聯(lián)。　

（二）自激振動(dòng)(Self-excited Uibration)
" e5 ]- W2 o) c" q* l% c# ]　　這是因?yàn)榍邢骷庸r(shí)具有周期性的工作凹凸不平特性造成周期相位的少許錯(cuò)開(kāi)而又反復(fù)重迭的再生效果所產(chǎn)生的影響一般又可稱之為“共振”(Resonance)，其主因來(lái)自于工具機(jī)結(jié)構(gòu)的自然頻率受到激發(fā)或者是工件夾持系統(tǒng)的自頻率過(guò)低而受到激發(fā)所引起。由于結(jié)構(gòu)的自然頻率只隨夾持或固定方式的改變而改變，因此振刀發(fā)生時(shí)，改變切削條件（如改變轉(zhuǎn)速）往往石以改善切削振動(dòng)，然而在某些無(wú)法改變切削速度的場(chǎng)合（如攻牙或某些材質(zhì)的切削），往往只有借助于夾持方式的變更，甚至于改變刀具或刀具固定方式才能解決這類問(wèn)題。
' E. M  W" a" R: N) `" r
) e, X) M9 I8 B三、抑制振刀的對(duì)策

　　依據(jù)研究所得的振刀原理，目前應(yīng)用于加工現(xiàn)場(chǎng)中有一些比較具體而實(shí)用的方法：
' J4 a8 ~' T. Q1 B& @0 ^* {/ h2 g; R
  i3 W5 f  A, F" ~3 ^（一）盡量選擇切削阻抗較小的一切條件，亦即最適當(dāng)?shù)牡毒哌M(jìn)給速率與切削速度（或主軸轉(zhuǎn)速）。
; v' C/ r8 t" B+ d: L6 ]  N1 Y
) g1 H  J# D, p$ V（二）調(diào)整切削速度以避開(kāi)共振。
) a! J0 @3 A, M（三）減輕造成振動(dòng)的部份的工作重量，慣性越小越好。
（四）針對(duì)振動(dòng)最大的地方予以固定或夾持，如中心架、工作保持器等。
（五）提高加工系統(tǒng)的剛性，例如使用彈性系數(shù)較高的刀柄或使用加入動(dòng)態(tài)減振器(Dynamic Damper)的特殊抗震力，以吸收沖擊能量。
（六）從刀片與工作旋轉(zhuǎn)方向下功夫（如圖3.1中所示，工作將刀具下壓同時(shí)也增高刀具的穩(wěn)定性）。
（七）改變刀具的外型與進(jìn)角，例如（圖3.2）：鼻端半徑(Nose Radius)越小越好，以降低切削阻力。側(cè)傾角(Sick Rake Angle) 必須取正值，以使切削方向更近垂直。后傾角(Back Rake Augle) 最好為正值，惟甚去屑切屑能力相　　　　　　對(duì)變差，因此一般可選用槽刑刀以使傾角變?yōu)樨?fù)值，但仍保有正值的切削效果。　

, w% Z$ F  N9 N1 c$ O; q5 X（４）導(dǎo)角(Lead Augle)越小越好，最好為零。

; j' i% R6 J% p2 e　　端切削緣角(end Cutting Edge Augle)越大越好，以減少刀具在工作上的摩耗，惟其支撐刀具的能力亦相對(duì)降低。
' n" a- u. _- W+ W% v! ?
四、案例研究
　　圖4是一個(gè)車床車攻不銹鋼工作的內(nèi)牙而產(chǎn)生振刀的一個(gè)案例，仔細(xì)觀察該工作的振刀可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)徑分布著非常均勻的振刀刮痕，因此可以確認(rèn)此現(xiàn)象屬于固定頻率的振動(dòng)現(xiàn)象至于振刀發(fā)生的主要以及如何分析該振動(dòng)是屬于強(qiáng)制制動(dòng)或自激振動(dòng)而采取不同的對(duì)策，現(xiàn)場(chǎng)的工作經(jīng)驗(yàn)固然可解決這個(gè)困擾，本文中則嘗試以另一個(gè)利用學(xué)理以及量測(cè)儀器（頻譜分析儀）來(lái)找出振動(dòng)主因并進(jìn)而改善振動(dòng)的方法。

, L& X+ G* S3 P: Y- J2 O" I4 e5 S　　工作的材質(zhì)為不銹鋼，所使用的刀具為Φ20的內(nèi)牙刀，由于是攻內(nèi)牙，因此進(jìn)給率和轉(zhuǎn)速是固定不變的（亦即不能改變進(jìn)給率以改善切削狀況），于本案中，進(jìn)給率F＝2.309mm/ reu，轉(zhuǎn)速N＝1120 rpm。利用振動(dòng)頻譜分析儀，將其中一個(gè)加速規(guī)(Accelerameter) 貼置于軸承外蓋，另一個(gè)加速規(guī)貼并于刀盤后方之Z軸方向，可以得到如圖4.2的頻譜圖，從圖上可以發(fā)現(xiàn)，刀盤上的振動(dòng)量(533.65mg)高過(guò)于主軸上的振動(dòng)量(427.818mg)，意味著刀具的振動(dòng)大于主軸或軸承的振動(dòng)；而從最高峰的頻率來(lái)看，2200Hz的頻率是整個(gè)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率，如此高頻的振動(dòng)可以粗估為刀具振刀，圖4.3則嘗試改變不同的轉(zhuǎn)速(N＝855rpm)，從圖上可以明顯的看出振幅因?yàn)檗D(zhuǎn)速的減慢而變小，但是振動(dòng)頻率依舊維持在2200Hz！這種現(xiàn)象告訴我們，這種振動(dòng)與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，而是一種自激式振動(dòng)，亦即刀具系統(tǒng)（或可說(shuō)是切削系統(tǒng)）的結(jié)構(gòu)自然頻率(Natural Frquency)被切削刀所激發(fā)。

　　在推斷振刀的型態(tài)方面，另有一個(gè)方法可以大略估算振動(dòng)頻率以正確掌握該振動(dòng)為強(qiáng)制振動(dòng)或自激式振動(dòng)。在本案例中，由于振刀會(huì)周期性的振動(dòng)而在工件內(nèi)牙面留下一齒一齒的顫紋，其顫紋間距為：
+ L  v/ X' c$ s. [: a' R　　　　2π N △L＝（──?──）R 　60 f 　　
　　其中N為轉(zhuǎn)速(rpm)，R為牙面的半徑，f為振動(dòng)頻率而△l為顫紋間距，倘若△l隨著小值 的不同而不同，且成正比關(guān)系，則可確認(rèn)頻率f為定值，因而斷定是結(jié)構(gòu)自然頻率問(wèn)題，并 可依公式推算此頻率值與量測(cè)頻率是否接近，如此一來(lái)，改善振動(dòng)就變得比較有方向與方法 可循了。
9 h0 f$ ~# j$ t
, X: E( V7 I* n. O" x5 Q五、振刀改善方法：

: B: y6 p6 b; x/ J+ v　　本文第三節(jié)中所提到的抑制振刀對(duì)策中，在本案例中受到一些限制：
  b4 L/ o8 P# g$ Z
（１）車螺牙無(wú)法改變進(jìn)刀速度，否則會(huì)使節(jié)距(Pitch)改變。
3 l% y' ~3 |4 ^$ t  ?（２）內(nèi)牙刀無(wú)法改變進(jìn)刀的角度。
（３）材質(zhì)硬度限制切削速度，而切削速度（或轉(zhuǎn)速）則直接影響到生產(chǎn)量。 　　
　　因此在本案中，只有借助于更高級(jí)的抗震刀或者改變?cè)邢飨到y(tǒng)的剛性（或夾持能力） 的方法了，然而前者意味著客戶必須負(fù)擔(dān)較高的刀具成本卻只能做到其它競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手用一般刀 具使能生產(chǎn)的質(zhì)量條件，當(dāng)然無(wú)法令客戶滿意，因此在本案中，重新改變?cè)嫉牡毒邐A持設(shè) 計(jì)，例如選用較長(zhǎng)的刀具座或者刀具襯套，甚至改變刀盤的厚度都是可行的方法，又如將切 削之內(nèi)牙刀與刀具座焊接在一起都是可行的方法，當(dāng)然，最治本的方法當(dāng)然是改變刀盤厚度 的設(shè)計(jì)了。
8 k& }* X4 e* F( \& \; t, B
: e% R0 _3 G" G! {7 ~; q0 U　　圖5.1即為只更換襯套，但不更改刀具座的頻譜量測(cè)結(jié)果，從頻譜中可以清楚的看出其 振動(dòng)幅已由原來(lái)的427.818㎎降低到43.577㎎，足足改善近十倍，而原來(lái)金屬斷續(xù)切削之刺 耳聲當(dāng)然亦轉(zhuǎn)為正常切削之順耳的聲音了。圖5.2顯示改善過(guò)后的工作外型已相當(dāng)?shù)钠亮?。

$ Y, p: Y# v" P0 G5 v- s/ L六、結(jié)論
' H, h1 y/ L, W2 s9 ^　　本文主要探討CNC車床在切削時(shí)發(fā)生所謂“振刀”的可能原因以及改善的方法，并透過(guò) 車攻內(nèi)牙的案例介紹，將實(shí)際切削所發(fā)生的振刀利用頻譜分析儀與加速規(guī)將振動(dòng)時(shí)特性量測(cè) 下來(lái)以做為振動(dòng)診斷的要因分析之參考。在本案例中，透過(guò)刀具座與襯套的局部修正即可解 決令人頭痛的振動(dòng)問(wèn)題。然而對(duì)工具機(jī)制造廠而言，真正的設(shè)計(jì)應(yīng)該是在結(jié)構(gòu)上盡量避免強(qiáng) 度的不足與振刀的發(fā)生，否則將只是亡羊補(bǔ)牢。就本案例而言，刀盤厚度的最佳與設(shè)計(jì)值得 進(jìn)一步的研究，以確保機(jī)器切削之高穩(wěn)定性。
( l8 a) p: w$ T  @
請(qǐng)各位前輩師傅們幫我討論

小鏈機(jī)

學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)，這方面的資料還真不多啊。

hjk3xd

學(xué)習(xí)了，非常感謝！

喝雪花干車床

總結(jié)的很高深。不知能不能徹底消化、理解、使用

zhj309

以前做過(guò)類似的工裝，不過(guò)是銑不均勻分布的槽的工裝。

國(guó)慶wq

學(xué)習(xí)下

昊天大帝

學(xué)習(xí)下，這樣的情況遇見(jiàn)的還真不少，主要是通過(guò)改變切削3要數(shù)解決的的，很復(fù)雜的情況還真沒(méi)見(jiàn)過(guò)！~！~

加工將來(lái)

可以利用變速車削，可以手動(dòng)，也可以用M指令。