在金屬切削過程中，切削振動不可避免，如何減小切削振動是業內人士一直研究的課題。加工時，不同機床、夾具和刀具的選取都會引起工件振動，本文僅從金屬切削刀具結構角度分析加工振動的產生原因及解決方法。
1 序言
在金屬切削過程中，切削振動會在工件表面產生振紋，導致工件加工精度和表面質量降低。振動過大易導致夾具零部件松動，機床精度和刀具壽命也隨之降低，甚至會損壞刀具，一旦發生安全事故將造成不可挽回的影響。
2 解析刀具結構對切削振動的影響
2.1 刀尖圓角對切削振動的影響
選擇刀具時，通常選擇大圓角刀片，大圓角刀片的刀具壽命更長，但在精加工時，要根據切削余量選擇刀尖圓角，圓角小，達不到理想的刀具壽命；圓角大，會產生振動，俗稱“壓不住刀”。
（1）刀尖圓角半徑對于車削振動的影響 具體如下。
如圖1所示，當背吃刀量≈刀尖圓角半徑時，軸向力Fx≈徑向力Fy，此時有振動的可能性。
圖1 背吃刀量≈刀尖圓角半徑
如圖2所示，當背吃刀量＜刀尖圓角半徑時，軸向力Fx＜徑向力Fy，此時切削力以徑向力為主，極易產生振動，出現“壓不住刀”的情況。
圖2 背吃刀量＜刀尖圓角半徑
如圖3所示，當背吃刀量＞刀尖圓角半徑時，軸向力Fx＞徑向力Fy，此時切削力以軸向力為主，通常加工是穩定的。
圖3 背吃刀量＞刀尖圓角半徑
因此，選擇刀片時應選擇背吃刀量＞刀尖圓角半徑的刀尖半徑，這樣可以保證軸向切削力最大。
某客戶加工銷軸類零件，粗加工外協，本廠做精加工，粗加工僅給精加工留余量0.15mm，客戶使用CCMT060204刀片加工，如圖4所示選用R0.4mm圓角刀片，加工時有振紋，在排除加工參數等原因后確定振動原因是背吃刀量太小。僅更換為CCMT060202刀片，如圖5所示選用R0.2mm圓角刀片，其他加工參數不變，振紋即可消失，達到加工要求。
圖4 R0.4mm圓角刀片加工效果
圖5 R0.2mm圓角刀片加工效果
（2）刀尖圓角對于銑削振動的影響 銑刀結構相對車刀結構復雜，影響切削振動的因素很多，與其他因素相比，刀尖圓角對振動的影響較小。
與車削相同，在機床功率和轉矩條件允許的情況下，粗加工時選擇較大的圓角刀片，可以達到更高的壽命和效率。精加工時，通常選用R0.4mm圓角刀片，基本可以滿足絕大部分的加工工況。
需要注意的是當背吃刀量過小時，除了上述“壓不住刀”情況產生的振動之外，還會出現劃痕，但并不是由于振動產生的。
可換刀片銑刀有制造公差，無法保證刀片安裝在刀體上是絕對等高的。刀片的最高點和最低點誤差甚至可達0.03mm以上。因此在背吃刀量很小且無法調整時，可以使用軸向可調面銑刀或硬質合金整體精磨銑刀（見圖6）。
圖6 Mapal Power Mill 軸向可調精磨銑刀
2.2 主偏角對切削振動的影響
主偏角是切削刃與進給方向之間的夾角，這個參數不僅會影響切屑形狀和切削刃長度，還會影響切削力方向，對切削振動的影響也很大。
（1）偏角對車削振動的影響 如圖7所示，F為車削總受力，Fx為車削軸向力，Fy為車削徑向力，車削時隨著主偏角的增大，刀具軸向力越大，徑向力越小，從而產生振動的機率就越小。
a）45°主偏角車刀
b）75°主偏角車刀
c）90°主偏角車刀
圖7 不同角度主偏角車刀示意
45°主偏角的車刀或鏜刀徑向力和軸向力相等，此時最易發生振動。在選擇車刀或鏜刀時，通常應首選主偏角接近90°的刀具，特別是車削細長軸或鏜孔時，盡可能選擇90°主偏角的刀具來減小徑向力，以獲得最好的切削效果。
（2）主偏角對銑削振動的影響 通常銑刀的主偏角對銑削振動的影響不大，只有在特殊工況下，主偏角對加工有較大影響。
1）加工薄壁工件。加工薄壁工件時，首選主偏角為90°的方肩銑刀。方肩銑刀在銑削過程中徑向力最大，軸向力最小，銑削薄壁工件時受到的垂直壓力小，可最大程度減小振動的發生。
2）刀具長懸伸工況。當使用長懸伸銑刀銑削時，主偏角越接近90°銑削的徑向力越大，振動也越大，長懸伸銑削時應首選45°主偏角銑刀，背吃刀量＜1mm時，可選擇圓刀片銑刀。
2.3 銑削刀具齒數和齒距對切削振動的影響
切削加工時需要的功率越大，產生振動的機率就越大[1]。
凈功率計算公式如下
式中，Pc為凈功率（kW）；ap為背吃刀量（mm）；ae為切削寬度（mm）；vf為進給速度（mm/min）；kc為特定切削力（N/mm2）；fz為每齒進給量（mm/z）；n為主軸轉速（r/min）；zc為齒數（個）。
以平面銑削為例，銑削功率和齒數成正比，相同直徑的銑刀，10刃銑刀需要的功率是5刃銑刀的兩倍。選擇刀具時，不能為了加工效率，一味地追求多齒數，也要考慮機床和夾具是否可以滿足功率需求。
除了齒數外，齒距也是一個重要因素，非等齒距刀具的好處在于他們能中斷諧振，從而提高穩定性，在大切寬和長懸伸刀具上的效果尤為明顯。
銑削加工時，如果發生振動，可以拆掉幾個刀片，通過減少齒數來降低切削功率，值得注意的是，如果只拆掉某一個刀片，下一個刀片會承受兩倍的每齒進給量，需要每隔一個刀片拆掉一個，使每個刀片的受力均勻、每齒進給量一致，達到理想的切削效果。
2.4 前角對切削振動的影響
刀具前角是前刀面與基面間的夾角，前角不僅有大小之分，還有正負的區別。前角越大，切削力越?。磺敖窃叫?，切削力越大。正前角刀片是單面刀片，具有較低的切削力，但刀片強度較差，負前角刀片既有單面刀片也有雙面刀片，后角為0°，切削力大且刀片強度高，適合重載切削。
（1）前角對車削振動的影響 如圖8所示，如果切削時錯用負前角刀片精加工，極易引起振動，若用正前角刀片粗加工則工件壽命偏低。
（2）前角對于銑削振動的影響 如圖9所示，銑刀前角分為軸向前角和徑向前角。軸向前角影響切削形狀和切削力的方向，徑向前角影響切削功率[2]。
根據加工工況和工件精度選擇銑刀前角，不同角度前角的銑刀特性如下所述。
1）雙正前角銑刀。軸向前角和徑向前角皆為正前角銑刀，這種銑刀切削力小，排屑順暢，適用于功率不足的機床，以及裝夾不穩的工況。
2）雙負前角銑刀。軸向前角和徑向前角皆為負前角銑刀，這種銑刀適合粗加工，切削力很大，極易產生振動，適用于大功率機床。
3）正、負前角銑刀。軸向前角為正前角，徑向前角為負前角，是市面上最常用的銑刀組合。
a）負前角刀片
b）正前角刀片
圖8 車刀的正、負前角刀片示意
a）徑向前角 b）軸向前角
圖9 銑刀前角示意
2.5 刀尖角度對切削振動的影響
以車削或鏜削為例，如圖10所示刀片刀尖角度一般為35°、55°、60°、80°、90°以及圓刀片。刀尖角越大，刀片越堅固，承受的切削力越大，產生振動的概率越大，其中圓刀片產生振動的概率最大[1]。假設刀具主偏角相同，刀尖角越大，副主偏角越小，副切削刃擠屑的概率就越大；反之刀尖角越小，副主偏角越大，空間越大，擠屑概率越小，產生振動的概率也就越小。
圖10 刀尖角度示意
2.6 刀具長徑比對切削振動的影響
刀具長徑比，即刀具懸伸長度與直徑的比值，無論車刀、銑刀還是鏜刀，長徑比都是影響振動的重要參數[2]，懸臂梁示意如圖11所示。
圖11 懸臂梁示意
懸臂梁結構的撓度公式如下
式中，W為撓度（mm）；F為切削力（N）；L為刀具懸伸長度（mm）；E為彈性模量（MPa）；I為截面慣矩（mm4）；D為刀桿直徑（mm）。
由式（３）、式（４）可知，當直徑相同時，撓度和長度的3次方值成正比。而長度不變時，撓度和直徑的4次方值成反比。刀具裝夾在機床上就是一種懸臂梁結構。對比上述公式，選刀時應優選長度短、直徑大且長徑比小的刀具。
當受到工況和工件結構限制，必須長徑比很大時，通常用以下3種方法處理。
（1）增加刀桿剛性 使用重金屬、硬質合金或減振刀桿作為刀桿材料，以長徑比L/D為基準，通常當L/D<4時，使用普通鋼制刀桿；當4<L/D<6時，使用重金屬刀桿或硬質合金刀桿；當L/D>6時，使用減振刀桿。
如圖12所示，采用相同切削參數，加工材質45鋼，刀具長度238mm，刀具直徑40mm，長徑比L/D約為6，切削速度vc=0.12m/min，背吃刀量ap=1mm，進給速度vf=143mm/min，減振刀桿加工效果明顯優于鋼制刀桿。
a）普通鋼制鏜桿加工效果（有振紋）
b）減振鏜桿加工效果（無振紋）
圖12 不同刀體材質加工效果對比
（2）導條支撐刀具 如圖13所示為曲軸導條支撐刀具，該類刀具都是非標刀具，適用于孔的精加工，根據工件結構設計，通過工件自身結構或夾具襯套為支撐消除振動。該類刀具常用于汽車加工行業，例如：發動機缸體缸蓋。
圖13 曲軸導條支撐刀具
（3）插銑 如圖14所示，插銑刀就像使用鉆頭一樣軸向進給加工，切削時刀具主要受軸向力，徑向力較小，當需要刀具懸伸在L/D＞4時，可以選用插銑的方式進行粗加工，使用該方法要注意盡可能選擇刃數多的插銑刀具，這樣不僅可以提高加工效率，而且可以在加工時保持至少有一個齒在切削工件，保證加工的穩定性。
圖14 插銑示意
2.7 刀具接口對切削振動的影響
車削刀具接口對振動的影響具體如下。
1）夾持方式。車刀桿與機床夾持方式對形成振動有很大的影響[2]。如圖15所示是車床夾持鏜桿最常見的三種情況，A、B、C均使用夾持圓柱型鏜桿。其中A使用外圓夾緊式刀座，通過圓周上完全夾緊的方式可以獲得最高的穩定性，且有效夾持長度推薦在3倍徑以上；B使用側固夾緊式刀座，一側由螺栓壓緊，下端由V形塊支撐，對于削平柄結構的鏜桿可能合適，但對于圓柱柄鏜桿很可能會產生振動；C也使用側固夾緊式刀座，利用兩側螺釘夾緊，該夾持方式不推薦使用，首先螺釘緊固位置未必會夾持在鏜桿中心位置，如有偏差，鏜桿受到夾緊力的作用會產生變形，加工時會損壞鏜桿。
圖15 車床夾持方式示意
2）夾持長度。如圖16所示，必須保證有效夾持長度在3倍徑以上，以平衡切削力。
圖16 內圓車刀夾持示意
2.8 銑削刀具接口對切削振動的影響
對于加工中心機床來說，刀柄可以分為過定位刀柄和非過定位刀柄，過定位刀柄例如BBT、HSK、Capto、KM以及big-plus刀柄等，非過定位刀柄例如JT、BT刀柄等[3]，圖17中以BT刀柄及BBT刀柄舉例。對于長懸伸刀具，機床接口是重要因素，長懸伸加工時，過定位刀柄的效果要優于非過定位刀柄。
a）普通BT刀柄，法蘭面與主軸端面有間隙
b）過定位BBT刀柄，法蘭面與主軸端面無間隙圖17 BT刀柄和過定位BBT刀柄對比
3 結束語
加工時產生切削振動的因素有很多，本文通過對刀具結構的分析，得出下述5點結論對解決加工振動問題有積極作用。
1）通過減小刀尖半徑、使用正前角刀具以及減小刀具齒數的方式均可減小切削力。
2）改變主偏角大小、采用插銑方法可改變單一方向的切削力。
3）不等齒距、阻尼減振鏜桿會破壞切削固有振動頻率。
4）刀桿的長徑比要盡可能地小，使用重金屬或硬質合金刀體均可增加刀具剛性。
5）用導條輔助支撐刀具、選擇過定位刀柄以及選取較小的刀尖角度能增強加工時的穩定性。
