切削颤振稳定性影响因素的研究现状

杨晋宁

（甘肃机电职业技术学院，天水 741001）

切削颤振是一种强烈的自激振动，发生在金属切削过程中的刀具和工件之间。这种机械振动现象十分复杂，其成因和发展规律不仅与切削加工过程有关，也与机床的动态特性有着潜在联系。

切削颤振的危害性很大，主要有以下几个方面。首先，刀具切削工件时如果发生振动，会在工件已加工表面产生振动痕迹，加大已加工表面的粗糙度，同时会对机床上零件的使用性能造成较大的影响。其次，在切削过程中，切削截面、切削角度、切削力等会在刀具产生的振动下出现周期性变化，从而使工艺系统中各组成环节承受动态载荷的作用，很容易出现刀具磨损及崩刃情况，降低刀具寿命，影响机床连接特性，严重时无法从事切削加工活动，甚至引发重大生产事故。再次，切削过程中，高频振动频繁，时常伴随刺耳的声音，在对周围环境造成噪声污染的同时，对操作者的身心健康产生危害。最后，在实际切削加工过程中，操作者需要降低切削用量各参数值来避免上述现象的发生，无法充分发挥机床和刀具的工作性能，使机械加工效率的提高受到限制。经过充分的理论和实践观察分析，汤爱君将颤振稳定性的影响因素分为机床、工件、刀具、切削用量及其他因素等5 个方面，如图1 所示[1]。

图1 颤振稳定性影响因素

在航空航天技术迅猛发展的当下，薄壁类零件因具备突出的优点而日益受到青睐。在切削加工过程中，引起颤振的切削用量因素主要为主轴转速、进给量（每齿进给量）、铣削深度（轴向和径向）等。针对一些特殊工件，切削时主要考虑对颤振特性产生影响的刀具几何参数和切削用量。目前，控制切削加工系统颤振现象的方法主要有合理匹配切削参数、优化刀具设计、提高工艺系统的刚度和阻尼、采用减振装置及实时监测控制等。在切削加工系统中，抑制颤振发生方法的适用场合和实施效果会因不同的工艺原理而有所差别。以铣削加工为例，从刀具几何参数和切削用量两个因素入手，介绍切削颤振稳定性影响因素的研究现状。

1 切削颤振产生机理

经过多年持续深入的研究，目前广泛存在3 种不同的切削加工颤振机理，即摩擦颤振、再生颤振和振型耦合型颤振。

1.1 摩擦颤振

摩擦颤振又称负摩擦效应颤振，是早期解释切削颤振形成原因的理论之一。该理论认为，切削颤振的产生是因为刀具-工件副间存在负摩擦效应。在切削过程中，当切削速度持续增大时切削力反而下降，或者切削速度与刀具前角发生动态变化时切削力的相位出现滞后等，这些现象均源于摩擦颤振[2]。

1.2 再生颤振

再生颤振是工件和切削工具受振动影响后，位移发生反馈延时出现的一种动态不稳定现象，几乎存在于所有切削加工过程中。

以铣削加工为例，铣刀每旋转一圈，每个刀齿将参与切削一次，后面的刀齿总是会切入前刀齿加工过的表面，铣削轨迹有所重复。在已加工表面上，如果由于某种特殊原因保留有前齿铣削振动痕迹，则当后齿主切削刃再次加工到这些带有振痕的地方时，将会使切削层参数中的切削厚度值发生变化。切削力会随着切削厚度的改变而产生一系列变化，从而使刀具-工件副发生振动引发系统的振动变形，并再次产生振痕。若循环反复，则有可能造成原本较少的振痕向整个加工表面扩散，引起再生颤振。

再生颤振分为线性和非线性。线性系统的各种简化假设受到系统动态特性、切削稳定性和多变量的影响，造成与实际切削过程之间存在较大偏差，因此非线性的研究相对更多一些。但是因为绝大多数非线性研究只停留在理论阶段，所以它所得出的结论对实际生产的指导作用并不强。

1.3 振型耦合型颤振

振型耦合型颤振由振型耦合效应引发，它与再生颤振相比，多数情况下只针对两自由度线性系统，而且在振型耦合型颤振发生时，振动体的振动轨迹是一条闭合曲线。振型耦合型颤振理论的提出，对提高机床各部件的刚度设计具有指导意义。

2 刀具几何参数的影响

2.1 齿数

铣削力是铣削加工时出现颤振的主要原因。当铣刀铣削工件时，每经过一个刀齿，铣削力就会发生一次波动，持续波动的过程就是整个颤振发生的过程。根据临界铣削公式可推导出齿数与临界切削深度成反比，齿数越多临界切削深度越小，稳定切削条件下所允许的最大轴向切削深度越大。随着刀齿的增加，每个刀齿参与铣削的时间变短，参与铣削的刀刃数变多，铣削力的波动周期变短，振动频率变大，颤振所需的主轴转速变小，Lobe 图向低转速方向左移[3]。

当转速相同时，如果铣刀的齿数增多，工作的齿数则随之增加，这就意味着承担铣削力的面积变大，降低了铣削力密度，这对于减少系统振动、延长刀具寿命、提高加工效率具有积极作用。但是齿数的增加会使铣刀的几何结构更加复杂，使刀体强度降低，应力集中容易发生在刃、槽部接触位置。因此，齿数越多，引发切削系统颤振的概率越大。

2.2 螺旋角

随着螺旋角的增大，临界切削深度减小，切削稳定性所允许的最大轴向切削深度逐渐增大，Lobe 图峰值略向低转速方向移动。原因在于螺旋角度数增大，实际工作的前角度数也随之变大，刀齿参与铣削的能力提高，在方便切屑排出的同时，有助于提高刀具耐用度、生产效率和工件表面加工质量，使切削过程变得更加平稳、轻松。但是如果螺旋角过大，则会使刀具上的垂直分力变大，工件受力变形严重，导致排屑效果变差，同时会降低铣刀的耐用度，不利于刀具制造及磨刃。

随着螺旋角的增加，切削稳定性逐渐提高。切削稳定区域在主轴转速较低时较小，对转速变化的反应非常灵敏。在主轴转速较高的情况下，稳定性切削区域的宽度有所增加，使得转速变化的灵敏度降低。因此，螺旋角度数的改变对颤振稳定性的影响微乎其微。

2.3 刀具直径

刀具直径能够改变刀尖点的频响，刀具刚度在铣刀直径变大的情况下得到提高，从而使刀尖频响幅值减小，Lobe 图向上移动，刀具振动有所减小。再加上铣刀直径增大，切削力变化幅度会明显减弱，刀具所受应力减小，在相同主轴转速下刀刃切削部位的线速度增大，从而减少刀刃与工件接触的时间，有利于剥落积屑瘤，提高加工表面质量。因此，在提高切削颤振稳定性方面，适当增大刀具直径会起到积极作用。

2.4 刀尖圆弧半径

刀尖圆弧半径的增大，增强了刀具切屑等的散热，同时提高了刀具强度等参数，但径向铣削力随之增加，加工过程会处于不稳定状态，易发生再生型颤振。从提高颤振稳定性的角度考虑，刀尖圆弧半径越小越好，但刀尖圆弧半径的减小会降低刀具寿命，影响零件的加工质量，因此选择刀尖圆弧半径应综合考虑各方面的影响[4]。

2.5 法向前角

切削刃和刀尖强度会随着法向前角的减小而增大，更有利于刀具散热。法向前角越大，刀刃越锋利，切削过程会更轻松，切屑变形越小。同时，相应减小了前刀面和被加工材料间的摩擦阻力，切削加工振动的振幅逐渐减小，提高了切削稳定性。但法向前角太大，会降低切削刃和刀尖强度，在遇到脆性材料时不能满足其加工要求，因此铣刀法向前角的大小应根据具体情况而定。

3 切削用量的影响

3.1 主轴转速

高速切削最大的特点是高转速，主轴转速越高切削效率越高，但并不是主轴转速越高越好。高速切削刀具在系统切削参数不变的情况下，切削速度的加大会增加刀具的切削抗力，当提高到某一临界值时，切削抗力会有所下降。研究发现，切削颤振对主轴转速的灵敏性很高，转速变化会引起颤振稳定性发生剧烈变化，应根据具体情况合理选取主轴转速[5]。

3.2 进给量

在系统其他切削参数不变的情况下，增加进给量后切削力也会增大，这就有可能导致机床的动态加工特性发生改变，从而使加工过程处于不稳定状态。另外，调整进给量会使切削过程中的切削刚度和阻力发生变化。同时，进给量的增大会改善切屑流动情况，减小动态铣削力。因此，在实际铣削加工时，系统中的颤振可以通过每齿进给量的适当增加来控制。

3.3 铣削深度

铣刀铣削深度分为轴向铣削深度和径向铣削深度，其中轴向铣削深度为背吃刀量，而径向铣削深度为侧吃刀量。在系统切削参数不变的情况下，增加轴向铣削深度可以提高材料去除率，从而提高加工效率，但同时会使切削力增大，造成刀具磨损加剧，引起颤振稳定性变化。而改变径向铣削深度，系统的极限稳定性会随之发生变化。允许的轴向铣削深度在相同主轴转速下随径向铣削深度的增加而逐渐降低，但对切削力的影响较小。因此，应根据具体情况确定铣削深度，从提高颤振稳定性的角度进行合理选择。

4 结语

刀具几何参数和切削用量对切削颤振稳定性的影响因素还有很多，如切削刃钝圆半径、铣削方式等。从铣刀齿数、螺旋角、刀具直径、刀尖圆弧半径、法向前角、主轴转速、进给量和铣削深度等方面对切削颤振稳定性影响情况的研究现状进行分析，结果表明：适当减小刀具齿数、增大螺旋角、增大刀具直径、减小刀尖圆弧半径以及增大每齿进给量，将有助于降低切削颤振，提高系统稳定性，而法向前角、主轴转速、铣削深度则需视具体加工情况合理选择。