當(dāng)KevinBerry的車間購買了第一臺高速加工中心時,Berry先生并沒有體會到他得到了一臺相當(dāng)于小提琴的金屬加工設(shè)備缸舱。但是,這是想象高速銑削的一種方法。
一把橫過小提琴弦的琴弓,產(chǎn)生弓和弦之間的相互作用,從而產(chǎn)生聲音纪萎。聲音或是悅耳,或是刺耳,則取決于小提琴手的技巧。
同樣,橫過工件的一把銑刀,產(chǎn)生刀具與工件之間的相互作用虹限。刀具和主軸一起在振動。這振動在零件上留下很多微小的波紋彭薪。這些波紋會使刀刃受到變動的載荷宜恩。我們把這效果稱為振顫夜矗。正像小提琴的聲音一樣,高速銑削過程也可能是刺耳的或悅耳的。
切削策略
對付振顫的一種普通方法是減小切深,因而有較小的力產(chǎn)生振動紊撕。另一種通常的辦法是提高系統(tǒng)的剛性,或者使用較短的刀具,或者采用一種有較大夾緊力的刀夾(例如過盈配合)罢荡。
用高速銑削主軸,可能有一種更好的選擇对扶。這里的“高速”意味著主軸轉(zhuǎn)速至少達(dá)到10,000r/min或15,000r/min区赵。當(dāng)主軸能達(dá)到至少那個高速時,有很多機(jī)會,在這速度范圍內(nèi),一些看上去不可思議的速度,會使振顫平靜下來,因而能進(jìn)行更重的深切削浪南。
這效果可能好象不可思議,但解釋十分合理。在那特定的速度下,切削刃沖擊的速率與系統(tǒng)的自然頻率同步逞泄。雖然刀具仍在振動,但切削載荷不再波動患整。結(jié)果,在達(dá)到振顫臨界值以前,有可能切削深得多喷众。這樣,金屬切除率提高,效率也提高。找到這速度的竅門其實很簡單到千。
因為主軸和工藝裝置形成一個單一系統(tǒng),這最佳主軸速度,在每次使用不同型式的刀夾或切削刀具時是不同的。因而要找到和使用這些最佳速度,需要記住各種不同組合的工藝裝置,使用各種特定的速度块生。但是,這要求不是不能克服的。
Berry先生知道所有這些廓蒜。他不知道的是怎樣(從實際的觀點)找出這些最佳速度钻国。
如果少許幾把刀具加工很多任務(wù)件,那怎么辦?
Berry先生任職于Lexmark激光和噴墨打印機(jī)制造商燎称。在美國肯塔基州列克星敦(Lexington)的公司總部,有一個加工車間幫助進(jìn)行新設(shè)計打印機(jī)原型的評估和測試。打印機(jī)評估的早期階段可用物理模型作為打印機(jī)零件的替代品,但當(dāng)測試打印機(jī)的性能更嚴(yán)格時,在設(shè)計要求造型零件之處,只能用造型零件罚栏。Berry先生任職于模型和工具服務(wù)部,該部制作為此目的用的模型。他的車間制造的模型,產(chǎn)品研制周期(從設(shè)計到實際投產(chǎn))短,用于短期運(yùn)作增捻。許多模型也進(jìn)行修改,因為工程師們不斷改進(jìn)他們的設(shè)計。
以前用放電加工制做這些模型,現(xiàn)在,復(fù)雜的模型仍然用放電加工,但車間的小量生產(chǎn)模型巳經(jīng)不依賴放電加工了锥惋。當(dāng)模型需要特別快時,制作電極和燒制一個零件的過程響應(yīng)不足夠快,因而車間買了一臺30,000r/min的牧野V33立式加工中心,以便能在較短的時間提供模型。
掌握振顫是使這加工中心的響應(yīng)性提到最高的關(guān)鍵膀跌。振顫不是機(jī)床的缺陷剥哑;它是物理缺陷淹父。每個主軸株婴、刀夾和刀具系統(tǒng)都有幾組頻率,在這些頻率下,它自然要振動暑认。在某些較高的主軸速度下,有可能切削刃足夠頻繁地撞擊零件,以至這些沖擊正好與這些自然頻率之一同步困介。這樣所導(dǎo)致的平穩(wěn)切削,有可能銑削更深,而不會使刀具或機(jī)床變形蘸际。在很多加工過程中,加工應(yīng)該由刀具強(qiáng)度和機(jī)床動力決定時,振顫反而成為規(guī)定最大切削參數(shù)的障礙座哩。狹窄的穩(wěn)定區(qū)和最佳主軸速度是允許超越這障礙的振顫壁壘的缺口粮彤。
一些CNC機(jī)床的用戶承認(rèn)是這樣根穷。這些車間大多加工飛機(jī)零件蓝漏。他們以高的主軸速度銑削鋁件,克服了振顫,使他們以快得多的生產(chǎn)率切除金屬诽怨。像這些車間,用電子儀器測量他們一起使用的每套組合的主軸吭匀、刀具和刀夾的頻率響應(yīng)食云。但是,Berry先生的應(yīng)用實例不能證明購買這設(shè)備的費(fèi)用和學(xué)習(xí)如何很好地使用它所需要的時間是合算的螺城。
“我有四把最愛好的粗切刀,”他說:“每把刀每次用同一個刀夾痒池。有一臺高速機(jī)床躬伐。如果我能知道這四種情況的正確速度,那么就會包括所有粗切工作的百分之九十凉陌。”
依靠外援來完成這試驗是另一種選擇,但Berry先生寧愿自己作埠浩。如果一些不尋常的模型,要求用因為刀顫而不能有效運(yùn)轉(zhuǎn)的長柄刀,那怎么辦飒胜?Berry先生想能自己響應(yīng)這個問題而不用等待外來的幫助捕谢。
答案來自他的計算器輔助制造(CAM軟件供貨商,設(shè)在美國俄亥俄州Milford)UGS的辦公室段物。EdwinGasparraj對這個問題提供了一些主意轧简。Gasparraj先生是該公司的NX加工部產(chǎn)品經(jīng)理,產(chǎn)品包括設(shè)計模型加工的復(fù)雜刀具路徑用的CAM軟件驰坊。這對錯綜復(fù)雜的刀具路徑的強(qiáng)調(diào)是令人啼笑皆非的,因為Gasparraj先生用于找出最佳速度的專利未決程序,包含的只不過是銑削直線和平行線哮独。
結(jié)果
來自UGS的程序提供了在各種速度和切深的情況下進(jìn)行加工的系統(tǒng)途徑,以便決定最有效的條件拳芙。
一組結(jié)果示于上表皮璧。在這特殊的試驗中,7,000m/min和9500m/min的情況下,刀具切削平穩(wěn),雖然P20鋼也可以用11500m/min試驗舟扎。這樣,有兩個不同的穩(wěn)定速度可用,并不過多,Berry先生說悴务。只要機(jī)床睹限、刀具和刀夾相同,轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定值可以根據(jù)不同的工件材料來轉(zhuǎn)換讯檐。相應(yīng)的切深不變(這些必須分別確定),但速度保持同樣羡疗。因此,Berry先生會用9,500轉(zhuǎn)的刀具轉(zhuǎn)速加工P20,但如果用同樣刀具切削較難加工的金屬,要求較低的切削速度(圓周速度,英尺/分),則選擇7,000r/min更合適别洪。
這試驗切削程序的一個限制是關(guān)于刀具尺寸叨恨。Berry先生對于直徑6mm敏栽、8mm和10mm的刀具,用這些試切來找出正確的參數(shù)去弹。對于比這小得多的刀具,用這種試驗就不行瓦轧。切削聲音變得太微小,聽不到振顫,工件上的顫紋變得太小,看不見毛溅。
當(dāng)?shù)毒咦銐虼髸r,這程序雖然簡單,但很有價值佳绩。一把新刀具的正確速度和切深,在不到半小時就能得到腿伟。當(dāng)Berry先生使用一把新刀具時,預(yù)先建立穩(wěn)定切削條件,能提高效率舰搜。即使只加工一個零件,在加工前找到正確的參數(shù),也比對付一些不理想條件下的刀具,更省時間。
金屬切除率倍增
這表說明Lexmark車間一直使用的一種刀具的生產(chǎn)率提高的情況胞仅。Berry先生希望加工效率盡可能提高,他可能巳選擇了這刀具所允許的最高速度11,500r/min(基于刀具供應(yīng)商的推薦)佣今。如果他是這樣的話,他的無振顫徑向切深將限制在0.5mm。金屬切除率為0.5×4×1106或3220mm3/min靠汁。
與在穩(wěn)定速度下切削相比較,把轉(zhuǎn)速降到9500m/min,允許無振顫徑向切削深度為3.5mm。現(xiàn)金屬切除率為3.5×4×1330或18620mm3/min闽铐。生產(chǎn)率提高幾乎6倍。即使用較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速7,000m/min,金屬切除率也能提高4倍兄墅。
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