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研究机械加工中切削加工及切削颤振

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  【关键词】加工,研究,刀具,机床,振动,技术,制造,发展,零件,产生,

 机械制造业在整个国民经济中占有十分重要的地位,而其中金属切削加工是基本而又可靠的精密加工手段,在机械、电机、电子等各种现代产业部门中都起着重要的作用。工具的设计、制造和使用自古以来就很受重视,这里我们所说的工具,不仅仅指进行机械加工的机床,我们更关心的是直接进行切削加工的刀具。刀具是推动金属切削加工技术发展的一个极为活跃而又十分关键的因素,可以说切削加工技术发展、革新的历史就是刀具发展的历史。

  一、切削加工的重要作用与刀具

  机械制造的核心是零件的制作。制造机械零件的方法大致可分为成形制造和加工制造,成形制造包括铸造、锻造、焊接等工艺,一般用于毛坯的制造。近年来开发的精确成形或称净成形工艺,如精铸、精锻等也可用于半成品和成品的制造。快速原型制造用于模型的制造,与其它技术相结合,也可用于制造金属零件。加工制造包括切削、磨削等常规工艺,也包括激光束加工、电子束加工、电化学加工等特种工艺。在所有这些方法中,切削加工至今仍然是并且在可以预见的将来仍将是零件制作的最基本的工艺技术之一。

  刀具性能和质量直接影响到数百万台机床生产效率的高低和加工质量的好坏。直接影响到整个机械制造业的生产技术水平和经济效益。金属切削加工是用刀具从工件表面切除多余的金属材料,从而获得在几何形状、尺寸精度、表面粗糙度及表面质量等方面均符合要求的零件的一种加工方法。其核心问题是刀具切削部分与工件表层的相互作用,即刀具的切削作用和工件的反切削作用。这是切削加工中的主要矛盾,而刀具的切削作用则是矛盾的主要方面。从近年来工具行业的发展看,切削刀具在生产活动中的作用正越来越受到企业的重视。随着数控加工设备与高性能加工刀具技术的发展,高速切削和超高速切削已成为当前切削技术的重要发展趋向,这就要求刀具的可靠性高,切削性能好,能稳定地断屑和卷屑,精度高,并能快换或自动更换等。因此,对刀具材料、刀具结构以及刀具的装夹都提出了更高的要求。

  二、切削颤振产生与危害

  在生产实践中,一般来说机床的振动是不希望产生的。这是因为振动所产生的噪声能刺激操作工人引起疲劳,降低工作效率.并且它又能使机床零件过早出现疲劳破坏,从而使零件的安全程度、可靠性和强度下降,机床的振动还会导致被加工工件的精度降低,刀具寿命和生产率下降。在机床上面发生的自激振动类型较多,例如回转主轴(或与工件联系、或与刀具联系)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(通称爬行)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上。长期以来,机械制造业中的噪声污染相当突出,大大超过国家环保标准。刺耳的噪声是工件—刀具系统强烈切削颤振的结果,它降低了产品的表面质量,降低了生产效率和刀具、设备寿命,增加了材料和能源消耗。同时会诱发长期在这种环境下工作的人们的心血管等系统疾病,严重危害人们的身心健康。
  三、 切削颤振理论与减小切削颤振的措施

  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。

  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。

  研究切削颤振现象及其控制理论的意义在于:可使人们更加深入地认识切削颤振的物理本质,从而发展控制理论及相关技术,促进机械工程的发展。其实践意义则在于:采用切削颤振的控制技术及手段,可大大减轻甚至消除切削颤振及其所带来的各种不良影响,极大地改善人们的工作环境,提高工作效率,减少切削能源的消耗,提高刀具和设备的使用寿命,并将产生直接或间接的经济效益和社会效益。

  众所周知,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。

  参考文献:

  [1]尹洁华.用新型刀具实现高效优质低成本生产[J]工具技术,1995,(09).

  [2]王守安.切削刀具的发展趋势[J]工具技术,1996,(07).

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