基于外沟槽刀的应用分析

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、 外沟槽刀结构车削外沟槽 刀是 以横 向切削为主 ，前端 的切削刃为主切 削刃 ，两侧 的切削 刃为副切削刃 。其主要用 于回转体零件 的外沟槽加工 ，满足零 件设计的工艺 需求 。车削切槽刀基本形态的几何角度，如图1所示。

厂 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 图1 外沟槽刀结构二 、加工 受力分析外沟槽刀在切削过程中，需克服切屑的塑性变形 、切屑和加工表面的摩擦 以及切屑的弹性挤压力等 ，所以外沟槽刀加工时切削力主要 由以下几个切削力的合成，如图2所示。

(a)俯视图 b)侧视图图2 外沟槽刀加工受力分析三、加工过程 中的振动分析1.车削颤振的机理车削颤振是机械加工中所特有的现象，当所进行 的重切削超过某-限度 以后，就会发生激烈的振动 。再生效应成为产生上述 问题 的原因：在上-次切削时 由于振动所残 留下的起伏波纹 ，在相继的切 削中被复制 出来，但略有滞后 。这种再生颤振是-种典型的由于振动位移延时反馈所 导致的动态失稳现象，也是金属切削机储生 自激振动的主要机制。

2.外沟槽刀振刀现象分析在发 生颤 振 ，进行 切 削加 工时 ，机床 振 动得 比较 剧烈 ，并 发出强烈的噪声 。在加 工完之后 ，从卡盘上 面卸下工件 ，会 发现工件表面有光亮 条纹状的波纹 ，这些 都是发生颤振 的比较明显的特征 。从 时域信号来说 ，颤振 时振 动的幅值 应该 比正常稳定切 削状 态时的振幅有 明显的增大 ，并且有 颤振开始 、发展及 充满 三个阶段 。发生 颤振 的频率- 般高 于系统的 固有频率 ，并且颤振的频率几 乎不 随切削条件的变化而发生较大的改变 。

根据外沟槽 刀的加工工艺路线可 以看 出，车刀只作横向进给 ，割槽车刀切 削的是前-转 留下 的表面 。假定在切削过程 受到-个瞬 时的偶 然性扰动，于是刀具和 工件之 间便会发 生 自由振动 ，振动 幅值 将因阻尼存在而逐渐 衰减 ，此种振 动当然会在加 工表 面上留下-段振纹 。当工件转过- 转后 ，刀具便会在 留有 振纹的表面上重 复切 削，此时切削厚度 将发生波动 ，这就 有动态切削力产 生。如果各种条件 的匹配是促进振动 的，其综合影响就使得工件 及刀具系统犹 如弹簧-样 ，-下 被压缩，-下又恢 复，在平 衡位置摆 动，产生振纹 ，外 界力越大，悬伸越长 ，产 生的振动越大 ，噪声也就越大 。

3.外沟槽刀加工振动的抑制(1)消除或减弱产生 自激切削振动的条件 。

①减小切 削刚度 。减小切削刚度 ，可 以降低切削厚度变 化效应 (再生效应 )的作用， 因而有利 于提 高机床 的切削稳定性 。同时增大切槽 刀具的前角 ，改善切削材料 的可加工性 ，均会使切削刚度减 校② 增加 切削 阻尼 。适 当减 小 刀具 后角 ，可 以加 大 工件 和刀具后刀面之 间的摩擦阻尼 ，对提 高切削稳定性是 有利 的，但刀具后角又 不宜取得过小 ，否则 会引起摩擦型 颤振 ，后角取2。～3∠为适 当，必要 时还 可在 后刀面上 磨出带有负后刀面的消振棱 。

①切削速度 。在相 同的进给量下 ，切 削振动和主轴 转速 有着密切 的联系 ，即切削振动和切削速度 有着密切 的关系。-般来说 ，在 中等切削速度时，相应 的振幅A较大，而选择较 高或较低 的切削速度时，振 幅较 小，如 图3。在许多情 况下 ，采用高速切 削很有利 ，既可避 免 自激振动 ，又 可提 高生产率，降低表面粗糙度值 。

②进给量。从图4中我们可以看 出，在相 同的主轴转速下，切削振动和切 削进给量有着密切 的联 系 。-般来说 ，在进给量 ，较小时，振幅A较大，而随着进给量 厂的增大，瓯 口 2。0亘 6oo8O40厂 、/ f。、， ，0 20 40 60 ：BO 1O0切削速度(m/m1rI)图3 切削速度与振幅的关系振幅A反而减校避给量如I1/ vj图4 进给量 与振幅 的关系③ 背吃刀量 。背吃刀量是 指刀具 已加工表面和待 加工表面的距离。而割槽刀在进行切削加工时，由于待加工表面是相对于背吃刀量的背面 ，实际上背吃刀量是-个动态的变化面，如果背吃刀量大，切削振动就容易产生，反之则反。

① 应尽量选大 的正前 角。前角越大 ，排屑越顺 利，切削越平稳 ，所 以选用正前角 。

图5 前 角消振刀在某 种情况下 ，为了提 高刀具 的耐用度 ，在 刀尖部位 可磨 出倒棱 。通常采 用双 前角消振 刀 ，利 用第 -前面 的宽度，来控制刀具和切 屑的接触长度 ，可 显著减 小切削 力 ，对 抑制振 动有 良好 的效 果 。

第 -前 角y 可正 可 负 (低 速时71>O，高速时7

②尽量选用较 小的后角 。后角不 能过 小，后角太小则使后 刀面与加工表面之 间发生强烈摩擦 ，反而容易产生振动 。而刀具后角太大或 刀刃过分锋利 ，刀具 易啃入工件 ，也 容易产生振动 。而 当刀具适当钝化后 ，其 后刀面有阻止刀 具 啃入 ”工件 的作 用 ，可 减 序 消除 振动 。 因此 ，用 油石使新刃磨 的刀 具稍 微钝化 (磨 出圆弧过渡 刃，其半径rO.5～2mm，振动 大时取小值 )，或在 刀具上磨 出卷屑槽 、正刃倾角和后面磨 出-5。～ 10№度约0.1～0.3mm的倒棱 ，减卸 向切削力抑制振动，如图6所示。

图6 具有消振作用的倒棱③ 在 车 削 外 圆 时 ， 刀 尖要 略高于机 床 中心高 ，车刀伸出要 尽量短 。在 车削 时刀尖位置过 低 (低 于工件 中心 ) ，会使得 刀尖 实际前 角减 小而后角增大 ，容 易产生 振动 。此 外 ，为减小振动 ，也可选用较 小的刀尖 圆弧 半径 ，可减小切削力，不易产生振动。

(4)切 削液的选用 。在有振动 的场 合，刀具受冲击载荷较 大 ，这时要选用 黏度 较高 的切削油 。它 所形成的润滑膜承 载能力强 ，可在 -定程度上缓和冲击 ，提高刀具的耐用度 。而低浓度 的切 削液 所形成的润滑膜承 载能力较差 ，因而不宜用于有震动 的诚 。

第- ，用三 爪或四爪夹紧工件 时尽 可能使工件 回转 中心和主轴回转 中心 的同轴度误差最 小，避 免工件倾斜而 断续切 削或不均匀切削造成 的周期性变化产 生的振动 。

第 二 ，加工 细而 长 且容 易变 形弯 曲产 生振 动 的工件案例 I CASES时，采 用弹性顶尖及辅 助支承 ，同时加冷 却液 冷却 ，减小工件的膨胀变形 。

第三 ，要尽量 使切削力接近工件 夹紧处，即在接近加工处夹紧， 以减 小切削力矩。

第 四，使用跟 刀架 、跟刀架式 刀夹、浮动刀夹等 ，都能明显提高工件系统 的刚度和抗振性能。

第- ，机床 主轴轴承 间隙直接 影响主轴的旋转精度和刚度 ，使用 中如发现 因轴承磨损致使 间隙过大、刚度不足时，应调整轴承 间隙并施加预紧力 ，以增 大工件系统 的刚度 消除振动 。

第二 ，定期检查 中托板 与大 托板 、小刀架与 中拖板之间燕尾导轨 的接触 情况 ，调整斜镶条 使其保持适 当间隙，避 免刀架移动时出现爬行 ，造成刀架系统的振动 。

第三 ，每 次转动 四方刀架使 刀具转刀到所需要 的位 置时，应压紧并 固定四方刀架 ，避 免四方刀架松动 降低刀 架系统刚度产生振动。

④ 采用 减 振装 置 。减振 装置 主要 有 两大类 ，-类 是消振器 ，是靠 阻尼 作用来耗散激振 能量， 以达到减振 的 目的；另-类是吸振器 ，靠吸收激振 能量达到减振 的目的 。

第-，动力式吸振器 。它是利用 弹性元件把-个 附加质量块连接到系统上 ，利用 附加质量的动力作用 ，是弹性元件加在系统的力与系统的激振力相互抵消，以此来减弱振动 。

，第二 ，冲击消振器 。它 是 由-个与振动系统 刚性连 接的壳体和-个 在壳体 内 自由冲击 的质量块组成 。当系统 振动时 ，由于 自由质 量的往复运动 而冲击壳体 ，消耗 了振 动的能量 ，图7 冲击式吸振器1-自由质量 2-弹簧 3-螺钉第三 ，摩擦消振器 。经 常使用的有 固体摩擦 阻尼 、液体摩擦及 电磁阻尼等，如 图8所示 。

啬图8 摩擦消振器I-工件 2-四方刀架 3夕 沟槽刀 4-消振器