车床切削振刀原因与改善对策

详细内容

一般使用車床進行機械加工時，會發生所謂的“振刀”的場合約有以下幾種場合：

（一)利用成型刀片進行成形車削。
（二）細長圓桿的外圓車削。
（三）薄肉圓桿的外圓車削。
（四）箱形部品（如鈑金焊接結構件）車削。
（五）超硬材質切削。
（六）軸承已受損而繼續切削等。

　　當振刀發生時，刀具、工件與車床的振動往往導致工廠內部有刺耳的噪音，而其振幅大小單邊達數十微米(μm)以上，有時其至高達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鬆之外，同時也因其吵鬧的噪音對操作人員造成不良的身心影響，而加工精度也因此無法達成客戶的要求，因此各工具機廠莫不戰戰兢兢地將振刀問題之排除視為草大的挑戰。

　　本文簡要的描述“振刀”的分類與挑除的方法，並且以一個實際的案例說明振刀的問題排除與防治之道。透過儀器的實測，將原來的振動藉由局部的修改設計而達到高達十倍以上的改善成果。

一、基本方法

　　有關工具機的顫振(chattering)學理分析在工具機研究上屬於相當艱深的一門學問，其產生來源與加工材質、機械設計及切削條件有著相當的關聯[2,3]，一般以上圖來解釋整個切削系統，其中“切削過程”牽涉到材質（工件）的硬度、進給的大小等等，而“機器結構”部份則牽涉到工具機各單體結構強度設計，諸如主軸軸承、頭部本體，刀盤設計以及刀具夾持等特性。

由於學理有著一大堆數學方程式[4]，在此不對此部份做深入的介紹，僅將一般客戶常發生的振刀現象，概分成以下兩類：

（一）強制振動(forcedvibration)
　　這是在斷續切削而導致的強制振動或者是因轉動零件有瑕玼而造成的振動，一般常見常見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、主軸擺幅過大等現象皆屬此類。這類問題中，斷續車削屬於加工技術問題，而零件瑕玼即大部份來自於工具機的裝配技術及其關鍵零組件的品質控制，而且也與機台結構設計理念有關。其特徵為振動的特性與轉數的大小有直接的關聯。　

（二）自激振動(self-exciteduibration)
　　這是因為切削加工時具有週期性的工作凹凸不平特性造成週期相位的少許錯開而又反覆重疊的再生效果所產生的影響一般又可稱之為“共振”(resonance)，其主因來自於工具機結構的自然頻率受到激發或者是工件夾持系統的自頻率過低而受到激發所引起。由於結構的自然頻率只隨夾持或固定方式的改變而改變，因此振刀發生時，改變切削條件（如改變轉速）往往石以改善切削振動，然而在某些無法改變切削速度的場合（如攻牙或某些材質的切削），往往只有借助於夾持方式的變更，甚至於改變刀具或刀具固定方式才能解決這類問題。

二、抑制振刀的對策

　　依據研究所得的振刀原理，目前應用於加工現場中有一些比較具體而實用的方法：

（一）儘量選擇切削阻抗較小的一切條件，亦即最適當的刀具進給速率與切削速度（或主軸轉速）。

（二）調整切削速度以避開共振。
（三）減輕造成振動的部份的工作重量，慣性越小越好。
（四）針對振動最大的地方予以固定或夾持，如中心架、工作保持器等。
（五）提高加工系統的剛性，例如使用彈性係數較高的刀柄或使用加入動態減振器(dynamicdamper)的特殊抗震力，以吸收衝擊能量。
（六）從刀片與工作旋轉方向下功夫（工作將刀具下壓同時也增高刀具的穩定性）。
（七）改變刀具的外型與進角，例如：鼻端半徑(noseradius)越小越好，以降低切削阻力。側傾角(sickrakeangle)必須取正值，以使切削方向更近垂直。後傾角(backrakeaugle)最好為正值，惟甚去屑切屑能力相對變差，因此一般可選用槽刑刀以使傾角變為負值，但仍保有正值的切削效果。　

（八）導角(leadaugle)越小越好，最好為零。