毕业设计、车削内孔时刀具振刀问题和解决办法1(1)(2)

1、湖南化工职业技术学院毕 业 设 计毕业设计题镗削内孔时刀具振动的分析与解决方法 毕业设计类型产品设计 工艺设计 方案设计 姓名 刘志峰 班级 机电1314 所属系部(院) 湖化工职业技术学院 专业 机电一体化 校内指导教师 尹霞 职称 学生 企业指导老师完成时间 2015年 11 月 10 日 镗削内孔时刀具振动的分析与解决方法 摘要 通过对镗削内孔时刀具振动原因的深刻分析，提出了在保持高生产效率下的解决办法，并在生产中得到应用。镗削内孔的加工中，刀具的振动将会影响到加工精度。在传统机械加工镗间中刀具振动的解决还是采用老式的加工理论，往往是以牺牲生产效率为代价，并且其中许多加工理念已经不再适合

2、现代加工技术。但随着国外越来越多先进的机夹刀具进入到传统机械加工镗间后，给我们带来了新的加工理念。现在向大家介绍这种高效率的解决方法。关键词 刀具振动 长径比 振动频率 减轻振动 高效率Pick to through the boring hole deep analysis of cutting tool vibration reasons and puts forward the solution under high production efficiency, and applied in production.The machining process of boring hole,

3、 the vibration of the cutting tool will affect the machining accuracy.In traditional machining of cutting tool vibration between the boring or old-fashioned CNC machining theory, often at the expense of efficiency at the cost of production, processing and many ideas are no longer suitable for modern

4、 processing technology.But as more and more foreign advanced machine clamp tool into the traditional mechanical processing between the boring, brings us a new idea of processing.Now to introduce you to the efficient solution.Keywords: tool vibration vibration frequency of length to diameter ratio re

5、duce efficiency前言镗削是一种用刀具扩大孔或其它圆形轮廓的内径车削工艺，其应用范围一般从半粗加工到精加工，所用刀具通常为单刃镗刀（称为镗杆）。镗削是一种用刀具扩大孔或其它圆形轮廓的内径车削工艺，其应用范围一般从半粗加工到精加工，所用刀具通常为单刃镗刀（称为镗杆）。镗孔是镗削的一种。 用麻花钻、扁钻或中心钻等在实体材料上钻削通孔或盲孔称为钻削加工。钻削加工除钻孔外，还包括扩孔及锪孔。所以钻孔是钻削的一种。用反镗刀对反镗孔进行加工的方法叫反镗加工。目录 摘要.2前言.4镗削内孔时刀具振动的分析与解决方法2前言4镗削内孔时刀具振动的分析与解决方法6刀具振动的原因6采用阻尼避振刀杆从而减

6、轻振动6降低切削力产生的切削振动从而减轻振动95、 采用刀具内部冷却的方式11总结18致谢语19镗削内孔时刀具振动的分析与解决方法 刀具振动的原因 刀具振动实际应该切削振动，通常发生在长悬臂刀杆的镗削和铣削，薄壁件的切削加工等。切削振动顾名思义只有在刀具进行切削时才产生。而切削振动最明显的是工件被加工表面有振纹。我们将振动分为三种。它们是高频振动、中频振动和低频振动。 我们以内孔镗刀杆的振动分析来看：刀尖切削工件时会产生切削力，这个力使镗刀杆产生弹性变形，当刀尖上的铁屑断掉后，刀杆的弹性变形就恢复。随着铁屑不断产生在断掉，那么径向切削力随着铁屑的生成和断裂由大到小不断变化，形成正玄波动镗削力F

7、。此力的大小和方向是一直有规律的变化，如果切削力的变化频率等于或在刀具固有的弹变频率范围之内，镗削振动就产生了。其实任何强壮的刀杆都不能确保切削时刀杆不会产生弹变，实际上刀片在切削时都是颤动的，但是只有弹变足够大时颤动才变为震动。 因此我们得到这样的结论：刀具在切削工件时发生振动需要有以下三个条件同时存在：第一是包括刀具在内的工艺系统刚性不足导致其固有频率低，第二是切削时产生了一个足够大的外激力，第三是这个外激力的频率与工艺系统固有频率相同随即产生共振。机加工描述产生振动的极限条件内孔镗削、镗削通用的HRC40以上的合金钢刀杆，刀杆夹持悬伸与刀杆直径比大于4；同时刀杆夹紧采用螺栓侧压，定位采用

8、V型铁或孔柱间隙配合；刀尖偏离孔中心线0.1mm以上内孔槽的镗削或镗削通用的HRC40以上的合金钢刀杆，刀杆夹持悬伸与刀杆直径比大于2；刀杆夹紧采用螺栓侧压，定位采用V型铁或孔柱间隙配合 那么消除振动的方法便可根据下面三个原则： 一是减小切削力至最小；二是尽量增强刀具系统或者夹具与工件的刚性；三是在刀杆内部再制造一个振动去打乱外激切削力的振频，从而消除刀具振动。采用阻尼避振刀杆从而减轻振动 我们虽然可通过改变刀杆的材质来达到消振的目的。即把钢质刀杆改成整体硬质合金刀杆或重金属刀杆，它的刀杆夹持悬伸与刀杆直径避振极限比值（简称长径比）可达7-8倍。是因为这些材料的抗压强度大，合金钢的抗压强度为2

9、10 Gpa，而整体硬质合金的抗压强度为900 Gpa，是钢刀杆强度的2.5倍。重金属是一种高比重的合金材料，淬火之前很软容易切削成型，成型后可以淬硬，但是它的减振效果不如整体硬质合金刀杆。但随着采用重金属和整体硬质合金做为刀杆，刀杆的重量增加许多；价格也上涨了许多，这是许多生产厂家在经济上无法保证，有时甚至无法实现的。现在我们可从图1中可看出，内孔镗削受力复杂，单纯提高刀体的强度很难解决振动问题，而且都会降低生产效率，牺牲刀片刃口的安全性。如果生产任务要求我们高效安全的进行更深的孔的加工，而且重复生产的操作性要强，解决这一瓶颈的办法就是采用阻尼避振刀杆。图1我们可以从一表格中了解各种材质的刀

10、杆的夹持悬伸与刀杆直径避振极限比值（简称长径比）：刀杆描述和加工部位主要减振策略长径比合金钢刀杆镗削内孔降低和抑制切削力，增强刀具和工件的静态刚性4：1硬质合金刀杆镗削内孔降低和抑制切削力，增强刀具和工件的静态刚性56：1标准Teness阻尼避振刀杆镗削内孔增强刀具动态刚性12：1特殊Teness阻尼避振刀杆镗削内孔专门加工设计的增强刀具的动态刚性系统同时增强刀具的静态刚性1516：1首先要理解阻尼避振杆的工作原理，见图2。假设在质量块m的下面再用弹簧P吊装另一个小质量g，只要依据一定的公式调节弹簧P的阻尼（例如做成铜丝弹簧或者腰鼓型的弹簧另外改变弹簧的长度）和g的质量，在外力锤击m后g通过P

11、和m一起振动，但是振频相差 /2，即m向下落时g开始向上弹，m向上弹时g向下落，从而在m振动不到一个周期内将m至于平稳状态，随然外力F不断按一定的频率施加在m上，但之间g随着F振动而m始终是近乎静止的。见图2。 图2 其次我们再来分析阻尼避振镗刀杆的内部结构。见图3。图31、镗刀杆的前部是空管，中间的管是内冷水供应管，越是深孔加工，冷却和排屑越重要。2、黑色的是强力橡胶圈，上面支撑的灰色环是硬质合金环，它们两个与刀杆内壁之间充满了液压油；3、橡胶圈，硬质合金环与液压油构成了一个阻尼质量系统相当于上图2中的P和g，而且这一系统的阻尼可以做成阻尼可调节的机构。4、570接口与刀杆过盈安装；5、57

12、0齿牙接口前端可以安装各种内孔镗刀，比如镗刀、槽刀和螺纹刀。 例如：悬伸300毫米的25毫米直径阻尼镗杆，在镗削调质钢40Cr时，切深1.5毫米，走刀0.02毫米。刀尖从切到工件开始振动（振幅0.12毫米）到刀尖被消除振动只用了0.03秒。见图4所示图4此外还可采用重金属、硬质合金为刀杆材料再加上减振机构的组合，这样可达到刀杆的夹持悬伸与刀杆直径避振极限比值即长径比14。达到最佳的避振效果，从而减轻振动。降低切削力产生的切削振动从而减轻振动 对于细长刀杆的镗刀或者细长杆的外圆镗削时，采用90°主偏角的刀具有利于消振。因为无论是外圆镗刀镗削细长轴，还是细长刀杆的镗刀镗孔，总是90

13、76;主偏角的刀具产生的径向切削力最小，同时刀片刃口产生的轴向力最大；45度主偏角的镗镗刀易发生切削振动，因为产生振动的径向切削力与轴向力相等，而使用圆刀片时径向切削力大于轴向力，最易发生振动。见图5图5 切深一定时减小刀尖圆弧半径r可以降低切削力特别是径向切削力，而径向切削力是使细长杆类刀具或工件切削发生振动的罪魁祸首。刀尖圆弧半径与振动倾向的关系是：在相同的切削深度时，刀尖圆弧半径越大，细长刀杆发生振动的倾向越大，无论是镗削还是铣削。见图6 图6r=0.2 时，切削力较小 r=0.8时，切削力较大 使用锋利的刀片来降低切削力。机加刀片分为涂层和非涂层刀片，非涂层刀片通常比涂层刀片要锋利，因

14、为刀片如果要涂层一定要进行刃口的钝化处理，锋利的刃口将影响涂层在刃口部位的粘结强度。即便是涂层刀片，物理刀片（PVD）也比化学涂层（VCD）刃口要锋利。因为化学涂层材料经常是大约10微米厚的三氧化铝。我们知道，现代机夹刀片采用的刀片材料按照其硬度分为六类：非涂层硬质合金、涂层硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼CBN和人造金刚石。因此，若使切削力降低，推荐使用非涂层硬质合金或物理涂层的钴基硬质合金刀片。 内孔镗削时刀片刃形角越小越好，这样副主偏角很大，副刃口与被加工面的颤动接触区小，颤动很难变成振动，副切削刃挤削的机会也小。图中黄色部分是接触区，可以很明显看出刀片刃形角等于55°比8

15、0°的颤动接触区小，这样振动的机会很少。见图7。图7 使用正前角和大后角的刀片配以轻快的断屑槽。这样的刀片在镗削中的切削楔入角最小，切削当然轻快。在镗削与镗削中，主要推荐7度和11度后角的刀片，这是最常见的刀片，也是ISO标准刀片，不同厂家的刀片可以互换。 调整切削参数。 调整切削参数只对切削振动不严重的刀具可能有效，一般的调整方法如下：减低刀具或者工件的回转速度，减小切深并提高刀具每转走刀量。在内螺纹的镗削中若产生振动，可以完成螺纹镗削的进刀步骤减小1至2刀。4. 改善刀杆的夹持方法从而减轻振动 传统的螺钉夹紧的方法是不利于消除振动的，最好的办法也是最易操作的是采用变形夹套的方法。

16、如图8所示。这种方法先镗出与刀杆为过渡配合的孔，若是刀杆直径比较大如80毫米，可将孔的一侧铣开。侧面的夹紧螺钉中要有两个顶丝，利用大径较重的刀杆装配，其余的为刀杆夹紧螺栓。对于中小直径刀杆则是将孔剖为两半，每半的圆弧面淬火到HRC45，螺栓为两侧共同夹紧。夹套下面通常为铸铁机座。图8 采用Capto刀柄模块夹持方式。Capto刀柄模块系统采用先进的短锥大端面双定位面系统。它的±2m的重复定位精度和完美的抗弯与抗扭特性使刀柄系统刚性得以保持，因为良好的组合性，倒锥型刀柄最大限度的提高了镗铣刀具的抗弯性能。并且这种接口具有广泛的通用性。见图9图95、 采用刀具内部冷却的方式。 内冷却和排

17、屑这两个问题虽然不会直接影响到加工振动，但对工艺可行性和稳定性有很大的影响，冷却不充分和排屑不畅会直接导致刀具寿命急剧下降、甚至是工艺方案不成立。由于采用常见的加冷却液的方法无法到达深孔加工的部位，因此排屑和冷却是没有效果的。所以在深孔加工中采用了刀具内部冷却的方式，这种镗刀杆的前部是空管，中间的管是冷水供应管，它有效地降低了加工部位的温度，并且利用冷却液的压力迅速带走了铁屑。因此越深孔加工，冷却和排屑越重要。结束语：传统的方法在解决问题的过程中浪费了大量的时间和人力，即便当前的问题解决了，往往是以牺牲生产效率为代价，甚至造成了新的隐患。然而高效率深孔加工是一个要求非常苛刻的课题，在很多场合下

18、，众多条件，缺一不可。虽然采用了现代机夹刀具及先进的夹持方式能在高速切削加工中完成深孔镗镗加工，甚至会迅速提高机加镗间的生产效率，但是要求生产者一定要全面考虑加工条件，并结合机床自身条件和工件的加工工艺作出正确判定。6, 镗削加工过程中预防和消除振动的方法 （一）、振动的概述 镗削是一种用刀具扩大孔或其它圆形轮廓的内径镗削工艺，镗削机理与镗削一样，不过它是内孔加工，切削量和切削速度均不大，其应用范围一般从半粗加工到精加工。所用刀具通常为单刃镗刀（称为镗杆）。镗孔是镗削典型的一种。 在镗削工艺系统中，镗床、工件和刀具称为弹性构件，这些弹性构件在镗削加工中发生周期性的

19、颤动现象叫做振动。加工中振动对加工质量影响极大，会产生一系列的不利因素。 （二）、振动对镗削加工将产生五方面影响 1、振动降低镗削加工表面的质量 2、振动降低刀具的使用寿命 3、振动影响和降低了镗床的生产效率 4、振动使机床的原始精度下降甚至丧失，影响镗削的加工精度 5、振动时，产生周期性的噪声，影响周围环境，容易使人疲劳，影响健康。 （三）、镗削振动产生的主要原因 综合以上影响，必须找出产生以上振动的原因，才能提高产品质量与加工效率。镗削振动主要有强迫振动和自激振动两种。 1、产生强迫振动的主要原因&#

20、160;（1）、切削力的变化。在进行断续镗削时，刀头切入或切出时引起的切削力不均，或因工件材质不均使刀杆在镗削时，切削力发生周期的变化而发生强迫振动。 （2）、镗床的传动零件，刀具系统等不平衡引起的振动。 （3）、镗床周围有其它振动源，振动源通过地基传到镗床上而发生振动 （4）、镗床的传动元件有缺陷 也会引起周期性的激振力而引起振动。 2、产生自激振动的主要原因 （1）、前道工序或粗镗时内孔表面留有振动波纹在后一次镗削中切削面积发生变化，从而引起切削力的变化，导致了自激振动的诱发。 （2）、镗削工件的材质差异或瞬间切削发生的

21、加工硬化，也容易引起切削力的周期变化，产生自激振动。 （3）、镗削塑性材料时。镗削用量选择不当，刀具上的积屑瘤不断形成扩大、破裂、脱落、在形成，反复循环，切削力也反复发生变化，最后引起自激振动。 （4）、排屑时，切屑与前刀面，镗刀与工件之间摩擦力变化引起了自激振动。 （四）、防止和消除振动的方法和措施 了解了产生振动的原因，就能找出防止和消除振动的措施方法。 镗削过程中所发生的振动时极为复杂的，引起的原因也很多，因此，根据具体情况分析判断针对发生的原因和性质，并切实采取措施，提出防止和消除振动的有效方法。具体分析、预防及措施如下： 1

22、、机床方面 （1）、提高机床刚性，按标准调整镗床各移动部件和各轴承间隙，使镗床刚度提高。 （2）、对提出高速回转的零件应做净动平衡，消除因质量不均引起的附加离心力。 （3）、提高镗床的抗震性。增设抗震沟，消除周围振动源。 2、工件方面 （1）、提高附具和刀具的刚度，提高他们的结构刚度、安装与夹紧刚度。 （2）、选择设计镗刀时，尽可能缩短刀头在刀杆上的外伸长度，夹紧刀头的螺钉要有足够的夹紧刚度。 （3）、在镗床主轴上安装附具及刀具时，应尽量少用过渡套筒，同时确保刀杆锥柄、过渡套筒与主轴锥孔配合紧密，以提高刀具强度。 

23、（4）、当镗刀杆单臂悬伸量较大时，如工件允许时，建议镗杆采用向主轴箱方向送进的镗削方式，使镗杆处于受拉伸状态，特别是镗杆直径较小时，更能使振动明显下降。 （5）、铣削时受工件结构的限制，主轴必须悬伸很长时，为避免铣削时产生振动，宜采用外伸辅助支架，以增强高度。 （6）、工件在水平面内定位的支承铁，定位支撑板及其它定位附件，在满足工件定位可靠的前提下，力求定位点的数量最少，夹紧时所选择的夹紧点，应距工件承受最大切削力的位置越近越好。 （7）、工件夹紧时，应使夹紧力的作用点落在定位支承内，夹紧点选择在工件上刚性好且夹紧变形小的部位。 （8）、夹紧工件时，用夹

24、紧螺母下的垫圈越少越好，以减少解除性变形。 3、刀具方面 对自激振动影响最大几何角度的是主偏角和前角，减少主偏角，会使切削截面的宽度增加，厚度减少，振动宽度随之增大。在一定的切削速度范围之内前角对振动的影响是，前角减少会使振动增强，镗刀的后角大小对振动和加工精度的影响，当粗镗或半精镗时，减少后角可降低振动强度，精镗时，增大后角可减少切削表面与刀具后面的摩擦，可降低由摩擦力所激起的自激振动。刀尖圆弧半径增大，会使振动增强，由于刀尖圆弧的增大，不但增加了切入金属的阻力，而且还增加了刀尖对已加工表面的摩擦力和挤压力，容易产生自激振动。    

25、; 7, 考虑刀具对振动的影响，选择几何角度时，要做到： （1）、镗削工艺系统较弱时，应采用较大的主偏角，其值一般在60-90度之间。 （2）、通常应尽量避免采用负前角和刀尖圆弧半径较大的镗刀 （3）、当精镗或高速切削时一般适当的加大后角 （4）、若采用高速钢镗刀，其镗刀的后面可磨出一个月牙坑式的消振刃，以减少振动。 （5）、及时刃磨刀具，尽量的提高刀具工作表面的光整程度，用油石进行光整，不使用磨钝的镗刀进行加工。 8，振动是在机械加工过程中，因机床工件或刀具发生周期性的跳动。加工过程中如发生振动，会使工件已加工表面上出现条

26、痕或布纹状痕迹，使表面光洁度显著下降，还会使机床、夹具中的连接零件松动，缩短机床使用寿命，影响工件在夹具中的正确定位。此外，由于振动，势必降低切削速度，损坏切削工具，降低生产率，造成噪声污染。1 机械加工振动的表现和特点振动分强迫振动和自激振动两种类型。具体表现和特点如下。1.1 强迫振动 强迫振动是物体受到一个周期变化的外力作用而产生的振动。如在磨削过程中，由于电动机、高速旋转的砂轮及皮带轮等不平衡，三角皮带的厚薄或长短不一致，油泵工作不平稳等，都会引起机床的强迫振动，它将激起机床各部件之间的相对振动幅值，影响机床加工工件的精度，如粗糙度和圆度。对于刀具或做回转运动的机床，振动还会影响回转精

27、度。强迫振动的特点是：强迫振动本身不能改变干扰力，干扰力一般与切削过程无关(除由切削过程本身所引起的强迫振动外)。干扰力消除，振动停止。如外界振源产生的干扰力，只要振源消除，导致振动的干扰力自然就不存在了。强迫振动的频率与外界周期干扰力的频率相同，或是它的整倍数。干扰力的频率与系统的固有频率的比值等于或接近与1时，产生共振，振幅达到最大值。此时对机床加工过程的影响最大。强迫振动的振幅与干扰力，系统的刚度及阻尼大小有关。干扰力越大、刚度及阻尼越小，则振幅越大，对机床的加工过程影响也就越大。1.2 自激振动(颤振) 由振动系统本身在振动过程中激发产生的交变力所引起的不衰减的振动，就是自激振动。即使

28、不受到任何外界周期性干扰力的作用，振动也会发生。如在磨削过程中砂轮对工件产生的摩擦会引起自激振动。工件、机床系统刚性差，或砂轮特性选择不当，都会使摩擦力加大，从而使自激振动加剧。或由于刀具刚性差、刀具几何角度不正确引起的振动，都属于自激振动。自激振动的特点是：自激振动的频率等于或接近系统的固有频率。按频率的高低可分为高频颤振(一般频率在5005000Hz)及低频颤振(一般频率为50500Hz)。自激振动能否产生及其振幅的大小，决定于每一振动内系统所获得的能量与阻尼消耗能量的对比情况。由于持续自激振动的干扰力是由振动过程本身激发的，故振动中止，干扰力及能量补充过程立即消失。2 振动产生的原因分析

29、产生振动的原因复杂多变，根据机加工行业出现的振动现象及两种不同类型振动的表现形式，分析原因，大致如下：2.1 强迫振动产生的原因：机床上回转件不平衡所引起的周期性变化的离心力。如由于电机或卡盘、皮带轮回转不平衡引起的。机床传动零件缺陷所引起的周期性变化的传动力。如因刀架、主轴轴承、拖板塞铁等机床部件松动或齿轮、轴承等传动零件的制作误差而引起的周期性振动。切削过程本身不均匀性所引起的周期性变化的切削力。如镗削多边形或表面不平的工件及在镗床上加工外形不规则的毛坯工件。往复运动部件运动方向改变时产生的惯性冲击。如平面磨削过程的方向改变或瞬时改变机床的回转方向。由外界其他振源传来的干扰力。在锻造镗间附

30、近，因空气锤的振动引起其他机床的强迫振动，甚至共振。2.2 自激振动产生的原因:切削过程中，切屑与刀具、刀具与工件之间摩擦力的变化。切削层金属内部的硬度不均匀。在镗削补焊后的外圆或端面而出现的硬度不均现象，常常引起刀具崩刀及镗床自振现象。刀具的安装刚性差，如刀杆尺寸太小或伸出过长，会引起刀杆颤动。工件刚性差。如加工细长轴等刚性较差工件，会导致工件表面出现波纹或锥度。积屑瘤的时生时灭，时切削过程中刀具前角及切削层横截面积不时改变。切削量不合适引起的振动，切削宽而薄的切削易振动。3 防止和消除振动的方法3.1 消减强迫振动的措施:对高速回转(600r/min以上)的零件进行平衡(静平衡和动平衡)或

31、设置自动平衡装置。或采用减振装置。调整轴承及镶条等处的间隙，改变系统的固有频率，使其偏离激振频率；调整运动参数，使可能引起强迫振动的振源频率，远离机床加工薄弱模态的固有频率。提高传动装置的稳定性，如在镗床或磨床上采用少接头、无接头皮带，传动皮带应选择长短一致。用斜齿轮代替直齿轮，在主轴上安装飞轮等。在精密磨床上用叶片泵代替齿轮泵，在液压系统中采用缓冲装置等以消除运动冲击。将高精度机床的动力源与机床本体分置在两个基础上以实现隔振。常用的隔振材料及隔振器有橡胶隔振器、泡沫橡胶、毛粘等。适当选择砂轮的硬度、粒度和组织，适当休整砂轮，减轻砂轮堵塞，减少磨削力的波动。按均匀铣削条件适当选择铣刀直径，齿数

32、和螺旋角；增加铣刀齿数；以顺铣代替逆铣；采用等距刀齿结构，破坏干扰力的周期性。刮研接触面，提高接触刚度；采用跟刀架、中心架等增强工艺系统刚度。选择较好的砂轮架导轨形式采用粘结结构的基础件及薄壁封砂结构的床身等，增加阻尼，提高抗振能力。隔离外来振动的影响，采取隔振措施，如在磨床砂轮电动机底座和垫板之间垫上具有弹性的木版或硬胶皮等。3.2 消减自激振动的措施：调整振动系统小刚度主轴的位置，使其处于切削力F与加工表面的法线方向的夹角范围之外，如镗孔时采用削扁镗杆，镗外圆时，镗刀反装。通过改变切削用量和刀具几何形状，减小重叠系数，如采用直角偏刀镗外圆。减小切削速度，增大进给、主偏角、前角；适当提高切削速度；改善被加工材料的可加工性。增加切削阻尼；适当减小刀具的后角；在后刀面上磨出消振棱；适当增大钻头的横刃；适当使刀尖高于(镗外圆)、低于(樘内孔)工件中心线，以获得小的工作后角。为消减刀具的高频振动，宜增大刀具的后角和前角。调