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刀具的悬伸效应

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刀具的悬伸效应
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对于高速加工,可能需要对加工过程进行与直觉相对立的调整。在发生振颤时,人们自然的反应是降低主轴转速,但事实上增加转速却是一种生产率更高的解决方法。对振颤问题另一种经常想到的方法是换用一种长径比较低的刀具,因为人们认为较短的刀具韧性较高。但是,在某些情况下,较长的刀具却可以提供更好的加工操作性。

这些现象的第一种,即振颤与转速之间的关系,已经被许多车间所理解,包括那些经常使用这种知识的车间在内。主轴转速、刀夹和切削刀具的每个不同组合都代表了一种特定的有其固有(多个)稳定特征频率的动态系统。进行这样的铣削会使切削刃的冲击速度几乎与这些谐振频率之一相互匹配,且刀具可以(比更快或更慢速度可以切削的切深)更高的切深进行平滑切削。那些已经发现这些“有效击球点”可以为其加工过程产生什么好处的加工车间不愿意降低主轴转速来避免振颤,他们却用可利用的最高稳定速度来实现较高的材料去除率。

振颤与刀具悬伸量也存在一定的关系,而这种关系却没有得到人们的青睐。在这里,刀具悬伸量被定义为刀具突出刀夹的长度。弹簧夹头和热缩配合刀夹提供了改变刀具悬伸长度的自由度。利用这种变化,那些已经用固有的稳定主轴转速进行高速加工的车间可以实现甚至更高的生产率。

以稳定的主轴转速进行加工所存在的一个限制是,工艺过程的最高速度一般没有使用,而最高金属去除率却产生于最高稳定转速时,因为在这种速度下可以采用大得多的切深。最高转速和最高稳定速度是两个不同的数值。但却不一定非要这样。改变刀具悬伸长度会改变整个系统,因此会改变特征频率。因此,为什么不可以通过精确选择刀具悬伸量,让“有效击球点”正好落在主轴最高转速处,从而对系统进行“调谐”呢?

有一个开发这种加工过程微调方法的研究者名叫Tony Schmitz,他是佛罗里达机床研究中心大学的助理教授。Schmitz教授将这种调谐称为“敏感性匹配亚结构分析”。他所工作的机构是一个高速加工研究中心,有一个实验室,除了其它资源外还包括一台英格索尔(Ingersoll)高速加工中心。

为了确定对于某个给定应用场合的最佳刀具悬伸量,Schmitz博士进行了一种“敲打实验”——类似于某些车间为了找出自己最佳转速而进行的实验。在该实验中,要在组成加工系统的机床和刀具组合体上附装一个传感器,同时还有一个用于敲打该系统的精巧的锤子以及用于测量频率响应的分析工具。Schmitz博士首先在刀夹中没有装刀的情况下进行这种实验。然后进行第二实验来评价刀夹和刀具之间连接的韧性和阻尼。当这些都知道以后,刀具本身就很简单,它对频率响应所起的作用就可以用数学方式进行模型制作了。有了所有这些信息,Schmitz博士就可以计算特定的悬伸长度——允许该特定系统在靠近主轴最大转速处进行较深的切削而不发生颤振现象的悬伸长度。

Schmitz教授当然知道,只有少数车间知道如何对自己的机床进行“敲打实验”,甚至更少的车间拥有计算最佳悬伸长度所必需的振动知识。但是,他在不同应用领域实施的刀具微调研究,对何时增加刀具长度提供了总体方法,且这种方法不需要数学方面的深层理解。这种研究可以为那些当前利用低颤振转速的车间提供帮助,同时还可以对那些努力将高主轴速度与高长径比结合起来的车间提供帮助。

“有效击球点”基础

那些理解如何以低颤振转速进行操作的车间趋向于为航空工业服务。这其中有大量的理由。这些车间主要加工铝材——一种可以同时以高转速和大切深进行加工的材料,条件是该加工过程可以同时实现这两个参数。

此外,航空车间还很少有长期运转的零件,允许他们通过试验对该过程进行精确调节,因此他们需要通过分析手段进行微调。所有这些都说明,没有任何关于颤振或超越它的方法与航空零件或铝材加工具有固有关系。谐振频率加工有可能与采用中到大切深及高主轴转速的任何应用相关(甚至与某些“速度不是如此之高”的过程有关)。

“颤振”,在这种加工背景中指的是自激振动。主轴和刀具的每种组合都具有一定的谐振频率——在这些频率上系统会自动发生振动。这些频率会以表面波纹的形式在工件上留下痕迹。通过这种波纹,下一刀铣削会与它前面的一刀发生交互作用。由于切削刃沿波纹的波峰和波谷而冲击不同点,因此切屑的厚度会从一个切削刃到下一个切削刃发生变化。颤振就是这种负荷变化的结果,且其严重程度会随着名义切深的增加而变得更加剧烈。

有一种避免颤振的方法,在某些高转速下——对某些主轴和刀具系统超出10000rpm,对另外一些系统超出15000rpm——切削刃速度冲击有可能与系统的谐振频率之一接近匹配。当这种情况发生时,该过程可以说是发生了调谐。可以在切深非常大的情况下进行平滑的加工,因为切削作用与表面波纹方式同步。

由刀具、刀夹及高速主轴组成的特定系统中转速和切深之间的关系表明,对于任何一个这样的系统,主轴转速的上部分预计可以提供一个或多个“有效击球点”,在“有效击球点”可以非常大的切深进行稳定的加工。知道这种“有效击球点”的车间通常愿意用这种速度之一进行操作,因为谐调转速可以保证高得多的生产率。车间不是在20000r/min上运行最高转速达20000r/min的主轴,而是在预先确定的稳定转速诸如17260r/min上运行。这种稳定的转速较慢,但是相比而言对应的切深却要大得多,因此总体材料去除率也要更高一些。

但是依然需要选择一种其中存在进一步改善余地的转速或其它点。理想的加工过程应该是可以在主轴最高转速上进行稳定的切削。刀具调谐提供了实现这种理想加工过程的一种手段。

刀具调谐

Schmitz博士在这种调谐方面的应用领域之一是飞机结构零件,其中有深度超出100mm的凹槽。为了降低这种零件的重量,需要从凹槽的拐角处去除材料。这种操作所必需的小尺寸立铣刀会存在很高颤振的问题。

Tony Schmitz

涉及该项目的工程师们尝试了不同的悬伸长度,每个悬伸长度都采用最高主轴转速而不改变加工过程中的任何其它参数。在悬伸量为直径的8倍时,刀具发生了颤振现象。当悬伸量为直径的9倍时,刀具颤振甚至更厉害。但在悬伸量为10倍时,出现了意外的情况。在刀具悬伸较长时,颤振反而减少了,因为这种悬伸长度正好将“有效击球点”转移到靠近主轴的最高转速处。此应用及其它应用中所进行的刀具悬伸研究已经使人们可以对其效应给予某些大致说明。

如果悬伸的刀具发生颤振,降低悬伸是否会减少颤振?大多数人期待这个问题的答案为肯定,但Schmitz博士说这个问题的答案只能是“可能是”。刀具长度较短时通常比较稳定,但在某些情况下,让刀具更长可能会提高稳定性。

车间是否可以预测什么时候需要用较长的刀具长度?他说,如果没有建立模型,则无法确切知道。但是,却有一个特别的指标为考虑这种问题提供了根据。如果稳定切削的最高转速远远脱离主轴的最高转速,那么可以尝试采用较长的悬伸长度。

例如,如果主轴最高转速为20000r/min,但固有的稳定“有效击球点”发生在大约13000r/min的转速上,且没有比这更接近最高转速的速度,那么值得用更长的悬伸长度进行实验。正确地增加悬伸长度可能使加工过程的生产率大大提高。

此外,改变悬伸长度会改变整个系统,因此改变“有效击球点”的位置。更具体地说,增加悬伸长度会将“有效击球点”转移到较低的转速上。

这种向下转移一般会损害生产率而不是提高生产率。但是,对于具有13K“有效击球点”的20K主轴,没有谐振频率的间隙较长,这表示,系统可能有另一个谐振频率,就在主轴可以获得的最大切削频率之外。增加刀具悬伸量将可能降低这种“超出范围的”频率,可能将它拉入到主轴频率范围内。

增加悬伸长度趋向于将稳定的转速降低到较低数值,相应的最大切深也如此。即如果可以捕捉原来位于主轴最高转速以外的“有效击球点”,并因此将它拉到正好位于主轴范围内,则这种效应是很有用的。

同时,该稳定区的“峰值”——最大允许切深——降低了。这种下降是一种要求停止刀具调谐的警告。增加刀具长度不仅会降低稳定切削的转速,同时还会降低切深(因为刀具现在刚性降低)。但是对于假想的主轴,20000r/min左右的稳定切削要比13000r/min左右的切削具有更高的生产率,即使降低切深也是如此。

一个更重要的警告来自以下事实,即增加刀具悬伸量只趋向于将“有效击球点”降低。向下并向左移的稳定峰值现象只在较窄的范围内起作用。改变悬伸长度还可能具有“撤换甲板”一样的效应。如果悬伸方面的变化将刀具本身的天然频率移近主轴的自然频率之一,则结果可能是对稳定转速进行一种全新分配,使得刀具、主轴及悬伸长度彼此之间都具有不同的关系。

案例研究

Schmitz博士详细描述了一种特别引人注目的刀具调谐应用,其中涉及用转速为24000r/min、电机功率为70kW的主轴加工镍铝青铜。在该应用中,允许的悬伸长度范围为107~127mm。所测试的刀具之一是一把直径为19mm的四排屑槽外圆角铣刀。在最小的悬伸量上,能以14680r/min的转速和对应切深1.6mm进行平滑的全槽切削。(如果在这种悬伸长度下以最高主轴速度运行,则允许的切深只有0.2mm。)将刀具悬伸到最大长度时,稳定运行的最高转速降到11820r/min,切深降到0.9mm。较短的悬伸显然可以提高生产率。但是,已经证明在最高悬伸长度下用只带两个排屑槽的刀具能以23640r/min的速度进行切削——这个速度非常接近最高主轴转速。在该转速下可以实现的切深为1.8mm。换言之,排屑槽较少的刀具与具有较多排屑槽的刀具在金属去除率方面不相上下,此外还具有另外一个优点,那就是允许采用较高的刀具悬伸长度。

调谐效用

这种刀具与直觉相对立的选择,其效率是通过数学方式而不是通过在机床上用样品刀具实施切削试验而发现的。典型的车间没有实施这种模型制作的能力——更不用说配备适当设备可在自己的机床上实施频率响应测量的少量车间了——这一点对刀具调谐技术投入广泛应用产生了严重障碍。

但是,Schmitz博士却发现了一种可以克服这种障碍的资源。基于网络的公共设施可以为各种主轴和刀夹组合给出频率响应测量数据库,同时还有各种刀具设计的数学模型。这样,用户可以简单地输入某个给定加工的基本参数,从而得到最佳低颤振速度和切深数值。利用这种公用设施,任何生产人员都可以对刀具类型和刀具悬伸长度进行实验,以确定什么样的组合可以提供最好的切削性能。

为了开发这样一种资源,研究者们将拜访主要的主轴制造商和机床制造商,在主轴中装上不同类型的刀夹对他们的各个标准主轴设计进行敲打实验。研究者们还将对在高速加工应用中最可能用到的各种铣刀结构建立模型。

Schmitz说,这方面的工作量非常巨大,但是肯定可以成功。他希望在他所工作的大学开发这种资源,并且希望自己监督这种开发过程。他当前正在寻找让这种想法变成现实所必需的支持。

我还没有学会写个人说明!

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