车床切削振刀原因与改善对策

一、摘要

　　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[1]：

（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。

二、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。nextpage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(Forced Vibration)
　　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-excited Uibration)
　　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。

三、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(Dynamic Damper)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(Nose Radius)越小越好，以降低切削阻力。 側傾角(Sick Rake Angle) 必須取正值，以使切削方向更近垂直。後傾角(Back Rake Augle) 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(Lead Augle)越小越好，最好為零。

　　端切削緣角(end Cutting Edge Augle)越大越好，以減少刀具在工作上的摩耗，惟其支撐刀具的能力亦相對降低。

四、案例研究

　　一個車床車攻不銹鋼工作的內牙而產生振刀的一個案例，仔細觀察該工作的振 刀可以發現內徑分佈著非常均勻的振刀刮痕，因此可以確認此現象屬於固定頻率的振動現象 至於振刀發生的主要以及如何研判該振動是屬於強制制動或自激振動而採取不同的對策，現 場的工作經驗固然可解決這個困擾，本文中則嘗試以另一個利用學理以及量測儀器（頻譜分析儀）來找出振動主因並進而改善振動的方法。 nextpage

　　工作的材質為不銹鋼，所使用的刀具為Φ20的內牙刀，由於是攻內牙，因此進給率和轉 速是固定不變的（亦即不能改變進給率以改善切削狀況），於本案中，進給率F＝2.309mm/ reu，轉速N＝1120 rpm。利用振動頻譜分析儀，將其中一個加速規(Accelerameter) 貼置於 軸承外蓋，另一個加速規貼並於刀盤後方之Z軸方向，可以發現，刀盤上的振動量(533.65mg)高過於主軸上的振動量(427.818mg)，意味著刀具的振 動大於主軸或軸承的振動；而從最高峰的頻率來看，2200Hz的頻率是整個系統的振動頻率， 如此高頻的振動可以粗估為刀具振刀，嘗試改變不同的轉速(N＝855rpm)，振幅因為轉速的減慢而變小，但是振動頻率依舊維持在2200Hz！這種現象告訴我們，這種振動與轉速無關，而是一種自激式振動，亦即刀具系統（或可說是切削系統）的 結構自然頻率(Natural Frquency)被切削刀所激發。

　　在推斷振刀的型態方面，另有一個方法可以大略估算振動頻率以正確掌握該振動為強制 振動或自激式振動。在本案例中，由於振刀會週期性的振動而在工件內牙面留下一齒一齒的 顫紋，其顫紋間距為：

2π N △L＝（────）R 　60 f 　　

　　其中N為轉速(rpm)，R為牙面的半徑，f為振動頻率而△l為顫紋間距，倘若△l隨著小值 的不同而不同，且成正比關係，則可確認頻率f為定值，因而斷定是結構自然頻率問題，並 可依公式推算此頻率值與量測頻率是否接近，如此一來，改善振動就變得比較有方向與方法 可循了。

五、振刀改善方法：

　　本文第三節中所提到的抑制振刀對策中，在本案例中受到一些限制：

（１）車螺牙無法改變進刀速度，否則會使節距(Pitch)改變。
（２）內牙刀無法改變進刀的角度。
（３）材質硬度限制切削速度，而切削速度（或轉速）則直接影響到生產量。 　　
　　因此在本案中，只有借助於更高級的抗震刀或者改變原切削系統的剛性（或夾持能力） 的方法了，然而前者意味著客戶必須負擔較高的刀具成本卻只能做到其他競爭對手用一般刀 具使能生產的品質條件，當然無法令客戶滿意，因此在本案中，重新改變原始的刀具夾持設 計，例如選用較長的刀具座或者刀具襯套，甚至改變刀盤的厚度都是可行的方法，又如將切 削之內牙刀與刀具座焊接在一起都是可行的方法，當然，最治本的方法當然是改變刀盤厚度 的設計了。

　　只更換襯套，但不更改刀具座的頻譜量測結果，從頻譜中可以清楚的看出其 振動幅已由原來的427.818㎎降低到43.577㎎，足足改善近十倍，而原來金屬斷續切削之刺 耳聲當然亦轉為正常切削之順耳的聲音了。改善過後的工作外型已相當的漂亮了 。

六、結論

　　本文主要探討CNC車床在切削時發生所謂“振刀”的可能原因以及改善的方法，並透過 車攻內牙的案例介紹，將實際切削所發生的振刀利用頻譜分析儀與加速規將振動時特性量測 下來以做為振動診斷的要因分析之參考。在本案例中，透過刀具座與襯套的局部修正即可解 決令人頭痛的振動問題。然而對工具機製造廠而言，真正的設計應該是在結構上儘量避免強 度的不足與振刀的發生，否則將只是亡羊補牢。就本案例而言，刀盤厚度的最佳與設計值得 進一步的研究，以確保機器切削之高穩定性。