锯片铣刀切削振动分析与研究

锯片铣刀切削振动分析与研究

高速回转圆盘刀具——锯片铣刀是一种用于金属切断和窄槽加工的铣削工具,在特种材料、塑性材料、复合材料、硅材料及贵重金属加工中有广泛的应用。常规的锯片铣刀由于本身厚度,不可避免地会产生锯路损失,造成材料资源的严重浪费,同时切削产生的加工废料加剧了环境污染,能源消耗也会提高。

在进行特种材料加工时,由于材料资源的贵重性及高加工质量的要求,降低这种损失变得尤为重要。因此,减小锯片厚度成为锯片铣刀主要发展趋势之一。

但是锯片铣刀厚度变薄又会存在一系列的问题,最主要的就是锯片刚度下降导致锯片铣刀横向振动加剧,降低了锯片铣刀的寿命以及产品质量,同时加大锯片铣刀的噪声。针对锯片铣刀振动和噪声问题,已有学者提出在锯片铣刀上增加径向槽、消音细缝以及采用阻尼材料充当锯片铣刀基体的方法来减少锯片铣刀的振动和噪声,并且这些方法起到了明显的减振降噪效果。

在前人研究的基础上,本文针对锯片铣刀铣削时的横向振动问题,应用转子动力学理论、临界转速理论和切削振动实验测量对锯片铣刀的振动动态特性进行了详细的分析和研究。首先从理论上分析了锯片铣刀切削时的金属变形规律、受力特性及振动特性,指出在锯片铣刀进行金属切削时存在犁沟效应及粘合效应。

利用克希霍夫(Kirchhoff)弹性薄板小挠度理论,建立了薄板振动的微分方程,在此基础上推导出了中间有孔弹性薄圆板(锯片铣刀)固有频率计算公式,并用MATLAB对锯片铣刀的前三阶固有频率进行了理论计算。在此基础上,进行了锯片铣刀空转振动测试实验、多种切削参数振动测试实验,同时为降低锯片铣刀的横向振动设计了导向装置辅助支撑,进行了有无导向装置辅助支撑锯片铣刀切削实验。

通过理论分析和实验结果分析,可得到以下结论:1.锯片铣刀为中心带孔的薄板圆盘,其固有振动形式有扭转振动、径向振动和横向振动。在实践中,横向振动最为突出,并且是构成噪声的最重要的辐射源。

因此,控制圆盘或锯片铣刀的振动与噪声,关键是控制铣刀的横向振动。2.对锯片铣刀设计时应综合考虑锯片铣刀的几何结构参数对固有频率的影响。

锯片铣刀的固有频率随锯片厚度呈线性增加,但厚度增加会增大锯路损失。可通过减少锯片铣刀的直径来提高锯片铣刀的固有频率,从固有频率计算公式可知,锯片铣刀直径减小10%,固有频率可提高21%。

3.刀杆的旋转不平衡及机床振动对锯片铣刀的横向振动有一定影响,但相对切削所引起的振动而言,影响较小。

4.铣削金属时,刀具的切削速度和切削厚度对锯片铣刀的振动有很大影响,进给速度对锯片铣刀的振动影响不明显。

因此,在锯片铣刀实际工作时,可选用较小的切削速度和切削厚度。5.锯片铣刀的切削参数的改变并不改变锯片铣刀以其固有频率振动的事实,锯片铣刀以其固有频率振动是最主要的振动形式。

因此,使锯片铣刀的切削频率远离刀具系统的固有频率能够有效控制和减弱振动和噪声。6.锯片铣刀切削金属的切削频率是产生振动的主要原因。

切削频率等于锯片铣刀固有频率或是固有频率的整数倍时,刀具系统会发生共振。7.在锯片铣刀上加装导向装置辅助支撑对刀具系统的振动抑制明显。

为此,建议在木工锯机和石材锯机上加装该装置,能起到很好的控制振动的效果。