摘 要：本文通过对外沟槽刀在车削应用中的受力和切削过程中的振动分析，指出了在正常的生产条件下，正确和合理使用外沟槽刀的一些意见，并结合生产实践，提出了如何正确选择车削外沟槽刀切削部分的几何参数。

关键词：外沟槽刀 塑性变形 机械振动 消振棱

一、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。

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。
　　主切削力Fc——垂直于基面，承受大部分切削力。
　　背吃刀力Fp——它处于基面内，并与进给方向垂直。
　　进给力Fc——它处于基面内与进给方向平行。

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一限度以后，就会发生激烈的振动。再生效应成为产生上述问题的原因：在上一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。这种再生颤振是一种典型的由于振动位移延时反馈所导致的动态失稳现象，也是金属切削机床发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。发生颤振的频率一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一转留下的表面。假定在切削过程受到一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一段振纹。当工件转过一转后，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一样，一下被压缩，一下又恢复，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，均会使切削刚度减小。
　　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°较为适当，必要时还可在后刀面上磨出带有负后刀面的消振棱。
　　（2）合理选择切削用量。
　　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。一般来说，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。一般来说，在进给量 f 较小时，振幅A较大，而随着进给量 f 的增大，振幅A反而减小。
　　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，实际上背吃刀量是一个动态的变化面，如果背吃刀量大，切削振动就容易产生，反之则反。
　　（3）合理选择刀具的几何参数。
　　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。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，利用第一前面的宽度f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。第一前角γ1可正可负（低速时γ1>0，高速时γ1<0），γ1与γ2之间相差15?，如图5所示。
　　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，可减小或消除振动。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r=0.5～2mm，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?宽度约0.1～0.3mm的倒棱，减小径向切削力抑制振动，如图6所示。
　　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可选用弹簧车刀。
　　（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，可在一定程度上缓和冲击，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场合。
　　（5）提高工艺系统的抗振性。
　　①提高工件系统的抗振性。
    　第一，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。
　　②提高刀具系统的抗振性。
　　第一，加大车刀截面，减小悬伸量，将车刀定位面磨光。
　　第二，提高刀具的刃磨质量。
　　③提高机床系统的抗振性。
　　第一，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，一类是消振器，是靠阻尼作用来耗散激振能量，以达到减振的目的；另一类是吸振器，靠吸收激振能量达到减振的目的。
　　第一，动力式吸振器。它是利用弹性元件把一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。它是由一个与振动系统刚性连接的壳体和一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，故可减小振动，如图7所示。
　　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。
　　图8 摩擦消振器
　　1—工件 2—四方刀架 3—外沟槽刀 4—消振器
　　参考文献：
　　[1]刘华明.金属切削刀具设计简明手册[M].北京：机械工业出版社，1995.