這些理念幾乎對每個讀者都是新的埃碱。 以500,000 r/min進行微細銑削加工 對表面位置誤差的理解 超越蠕墨鑄鐵中的速度極限

　　 這些主題包括微觀加工和宏觀加工之間的區(qū)別催蝗；單單來自主軸的各種尺寸誤差苦酱；通過對刀具進行根本改變而實現(xiàn)對難加工金屬進行快速切削的機會售貌；專門針對高速加工計算參數(shù)的軟件。這些選擇加在一起疫萤，為可能影響高速加工在將來的應用方式的研究和創(chuàng)新提供了一些特定方式樣板颂跨。

　　數(shù)控技術研究者旨在開發(fā)一種可以解釋宏觀和微觀加工之間差異的主軸敢伸。

　　對于“微細”零部件方面的發(fā)展趨勢，看看宏觀世界就可以知道恒削。以常規(guī)尺寸進行制造首先用于制造靜止的目標池颈。只有在稍后的時間它才用來制造運動組件中的零件。類似地钓丰，微細制造也是從靜止物體開始向微型機械中的零部件發(fā)展的饶辙。

　　但是這些微型移動部件的設計和屬性是受到嚴格限制的。它們的生產如今一般涉及成層建造斑粱，即微型石版印刷術弃揽。因此材料的選擇包括硅或濺射金屬，幾何形狀限于可以通過分層堆疊而形成的2?維形狀褂省。為什么設計者不可以用從實心鋼加工的三維幾何形狀指定微觀零件呢巷卵？

　　這個問題的答案主要在于速度或者說缺少速度。微細刀具需要較高的轉速來實現(xiàn)高效切削速度及生產性金屬去除率葵稚。對高效三維銑削需要多高速度所進行的分析表明帘衣，該數(shù)值大約為500,000r/min。

　　對這個數(shù)字本身而言并不是很高洁席。牙醫(yī)的牙鉆速度可以達到300,000 r/min税则。但是牙醫(yī)的牙鉆跳動可能達到10微米。在微細銑削中值唉，這么高的跳動相當于切屑厚度的10倍左右赡喻。 

　　這種與牙醫(yī)的牙鉆所進行的比較是佛羅里達州Gainesville市佛羅里達大學機床研究中心的教授John Ziegert提出來的。Ziegert博士正負責500,000 r/min主軸的設計和結構港赂，這種主軸將可以銑削鋼及類似金屬以形成幾百微米數(shù)量級的復雜特征旭手。這種主軸將采用直徑為0.010英寸及以下，現(xiàn)在一般只用于諸如鋁涉功、石墨和塑料等軟材料中加工簡單特征的刀具汁掠。

　　該大學正在實驗其第一個500,000 r/min的實際產品。如果證明該主軸可以可靠地進行切削集币，則會被送往Sandia國家實驗室進行加工試驗考阱。通過其微觀系統(tǒng)研究項目，Sandia已經(jīng)具備了制造直徑小至25微米的銑刀的能力鞠苟。過去對這種刀具進行的實驗一直限于速度不超出30,000 r/min的主軸乞榨。這么低的速度允許的進給速度最好以每小時若干英寸表示，僅5~14英寸/小時偶妖。 

　　開發(fā)主軸的大部分工作涉及調研在微細加工方面所進行的已經(jīng)形成文獻資料的研究以及吸收這種早期工作所得到的教訓姜凄。Ziegert博士說這種調研所得出的兩個重要結論說明了微觀加工和宏觀加工的區(qū)別。

　　首先，刀具故障模式是不同的态秧。在常規(guī)尺寸加工中董虱，刀具會磨損。但是在用微尺寸刀具進行加工時申鱼，最終結果更可能是刀具破損愤诱。對小刀具而言，在發(fā)生比較明顯的刀刃磨損之前捐友，很容易就達到其彎曲強度極限晋粱。

　　第二個差異是微型加工中的切屑厚度一般小于刀刃半徑。這一點與正常尺寸的加工差異很大埋吊，其中切屑的厚度比刀具的刀刃半徑要大好多倍馁惨，即使在較輕的精加工過程中也是如此。如果微型加工中切屑厚度僅僅按比例推算大小愈苛，則切削力將很容易超出刀具的彎曲強度业弊。

　　切屑厚度小于刀刃半徑的結果是由微型銑刀明顯為負的前傾角決定的。有效的前傾角可能為負50度伶门∮诹ǎ或者甚至可以比此數(shù)值更大。這么大的負前傾角增加了切屑產生的切削力棵擂，這樣就進一步需要減少切屑厚度见炫。所產生的切屑負荷如此輕，因此一個非常高的主軸轉速可以將“ipr”（轉速）轉換成生產性的“ipm”（切削速度）拙达。 

 　　Ziegert博士對這些與彎曲強度及切屑厚度有關的問題所進行的分析得稼，正是導致他得出500,000r/min的估計轉速的原因所在。

　　無刀夾   

　　佛羅里達大學設計的速度這么高的主軸采用切削刀具的刀柄做主軸的軸柑爸。而受速度不斷增加的摩擦輪的驅動吵护，刀具會比該組件任何其它部件都轉得更快盒音。

　　Ziegert博士說表鳍，沒有任何其它解決方案會使主軸達到所要求的低跳動。常規(guī)的銑削主軸采用刀夾使刀具成為主主軸的加長體祥诽。但是沒有任何刀夾夾緊機構—彈簧夾頭譬圣、熱收縮配合—可以將微型刀具保持足夠同心，從而可以在硬金屬中進行精確的三維銑削加工雄坪。

 　　相反厘熟，刀柄在客戶空氣軸承中單獨自轉。驅動摩擦輪的主軸以刀具速度的1/10左右運轉维哈，以50,000r/min傳送0.01 Nm的轉矩

　　Ziegert博士說绳姨，他可以從經(jīng)驗中指出微觀和宏觀加工之間一種更根本的差異。在微觀加工中，如果不借助有關設施飘庄，人眼或人耳無法確定刀具何時已經(jīng)破損脑蠕。一把在（8小時的）循環(huán)一開始就斷裂的刀具有可能不會一斷裂就被發(fā)現(xiàn)，很可能要等到8小時循環(huán)周期過后才被發(fā)覺措暗。

　　因此稻沮，這種主軸另一個關鍵元件是連續(xù)監(jiān)視加工力的三軸傳感器。為了讓微型加工主軸可以高效進行加工递蚪，需要一個安全“警衛(wèi)”來確保刀具時刻處于切削過程中谅沛。

　　對表面位置誤差的理解 

　　將轉速改變幾百r/min，刀具的有效切削半徑就可能會發(fā)生變化朗玩。 數(shù)控喳睬，機床，模具設計,數(shù)控車床即荞，數(shù)控技術  

　　許多以高主軸轉速進行銑削加工的車間都可以理解為什么轉速方面很少的變化可以導致切深的巨大改善烈肉。這種解釋與顫振、以及高速主軸在轉速范圍某些窄窄的區(qū)域發(fā)生“諧振”的趨勢有關委丈。挑選一個對應于這些穩(wěn)定區(qū)域之一且顫振會消失的轉速甩高，讓刀具可以進行較高切深加工。

　　但是即使是那些對以這種方式避免顫振很熟悉的車間也會遇到相關的危險什偷。不再顫振的刀具卻依然在振動霸督。實際上，當顫振消失后衅疙，刀具趨向于以甚至更高的振幅發(fā)生振動莲趣，因為低顫振主軸速度發(fā)生在系統(tǒng)本質上趨向于振動的那些“自然頻率”上。而這種振動則有可能影響刀具的切削直徑

　　換言之饱溢，大量跳動可能僅僅來源于主軸轉速喧伞。以13,000r/min銑削到0.065英寸厚的薄壁，如果以14,000r/min銑削绩郎，則可能只有0.061英寸厚潘鲫，因為振動在兩側增加了0.002英寸的誤差。在兩種情況下肋杖，機床溉仑、刀具及刀具路徑都是一樣的。只是主軸速度發(fā)生了變化状植，而僅此就足以引起加工后的表面產生不同的景象浊竟。這種現(xiàn)象被稱作“表面位置誤差”

　　誤差的避免 

　　這種現(xiàn)象本來一直存在，只不過是高速加工使它引起了人們的關注津畸。上面例舉的薄壁實例是比較現(xiàn)實的振定，這一點有若干原因必怜。首先，車間習慣于認為他們自己的低顫振速度有助于為飛機行業(yè)提供服務城汹，加工實心鋁薄壁零件柴羞。其次，實例中的誤差數(shù)量級—針對1,000r/min的轉速變化發(fā)生0.002英寸的誤差—是一種在對高速銑削代表性設備進行的試驗中測得的典型誤差载甸。

　　有一個研究機床表面位置誤差的研究者名叫Philip Bayly稳嘁，他是密蘇里州的圣路易斯華盛頓大學的一名機械工程教授。Bayly博士及這里的其他人員正在開發(fā)一種稱作“時間有限元分析”的研究方法齐犀，這種方法可以同時預測穩(wěn)定性和表面位置誤差托习。對于主軸和刀具給定的組合，這種時間有限元分析法可以用來找出使穩(wěn)定性最高而誤差最低的最佳主軸速度滥捣。以前也可以進行這種預測虏淋，但是時間有限元分析法卻可以進行足夠快的計算，快得可以將分析在一天中就結合到在車間運行的軟件中沦昆。

　　但是即使沒有這種軟件尸查，Bavly博士說車間也依然可以控制誤差。這種誤差的一個特征是愿凶，它趨向于發(fā)生在一個甚至比無顫振穩(wěn)定加工范圍還要更窄的轉速范圍竖伯。這意味著，簡單地通過調高/低發(fā)生誤差的速度設置因宇，就可以避免誤差七婴，卻依然保持無顫振。改變100或200r/min可能就足夠了察滑。 

　　最重要的一步是在發(fā)生誤差時打厘，簡單地將它識別出來。盡管將尺寸誤差歸罪于裝夾或一些其它更加熟悉的變化源比較容易贺辰，但是在嚴格控制的過程中發(fā)生故障其可能原因卻更可能是因為主軸速度引起的户盯。

   　　超越蠕墨鑄鐵中的轉速極限

　　回轉式刀片加工方面的進步可能對其它難加工材料帶來了一定啟示床，數(shù)控對蠕墨鑄鐵（CGI）早期進行的加工實驗表明饲化，在當今的刀具技術條件下莽鸭，不能采用特別高的切削速度。而對于灰鑄鐵滓侍，由于其中存在硫蒋川，因此可以進行比較快的切削。金屬中的硫可以產生一層MnS（硫化錳）撩笆，在加工過程中，它可以對刀具起到潤滑作用情庐。但是在蠕墨鑄鐵中筷疹，沒有硫，因此就不存在MnS的作用。沒有這種潤滑作用瞳竖，在蠕墨鑄鐵中當今還無法期待實現(xiàn)超出500 平方英寸/分鐘的切削速度蜘把。

　　但是如果刀具的切削行為發(fā)生改變，那么確實可以實現(xiàn)更快的切削乡捧。 

　　在回轉刀片式刀具中衅滞，每個切削刀片都安裝在一個軸承上，因此刀片可以自由自轉牵观。利用這種刀具設計抓惫，該公司已經(jīng)在蠕墨鑄鐵加工中實現(xiàn)了超出3,000平方英寸/分鐘的速度，而采用相同的陶瓷刀片材料在比較常規(guī)的刀體上卻被限于較慢的轉速塌自。刀具壽命也發(fā)生了成正比的改善径楼。

　　這種刀具工作的方式與19世紀以來所采用的金屬加工方式不同。對于標準銑刀悟旧，加工涉及給工件材料施加過強的力量以剪切掉切屑嚼锄，讓能量損失轉換成熱”尾颍回轉刀片式刀具增加了該過程刀片的回轉区丑，因此某些能量花費在驅動回轉方面。降低切削中的熱量可以保護刀具修陡，并改善其性能刊苍。  

　　刀具設計本身不是一種新技術”粑觯回轉刀片式刀具已經(jīng)問世很長時間正什，在某些場合用于加工灰鑄鐵，延長刀具壽命号杏。但是婴氮，對于大多數(shù)零件，這種刀具設計已經(jīng)成了試圖發(fā)現(xiàn)某個問題的一種解決方案盾致。配備精密軸承的刀體其成本一般無法通過刀具可以提供的工藝改善而帶來的價值加以抵消主经。但在蠕墨鑄鐵中所帶來的改善程度卻是一個例外。

　　所有針對回轉刀片式刀具的改善提出的一個希望是庭惜，它將不僅導致在汽車行業(yè)盈利仇钞，同時在其它應用中也如此。沒有任何理論方面的理由表明這種概念無法用于鈦籽钝、鉻鎳鐵合金毯甘、耐高熱鎳基合金、金屬矩陣復合材料以及過去很難加工的其它材料航赦。

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