對(duì)于高速加工瞳秽，可能需要對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行與直覺(jué)相對(duì)立的調(diào)整。在發(fā)生振顫時(shí)，人們自然的反應(yīng)是降低主軸轉(zhuǎn)速练俐，但事實(shí)上增加轉(zhuǎn)速卻是一種生產(chǎn)率更高的解決方法靡玲。對(duì)振顫問(wèn)題另一種經(jīng)常想到的方法是換用一種長(zhǎng)徑比較低的刀具，因?yàn)槿藗冋J(rèn)為較短的刀具韌性較高锡锐。但是铆羡，在某些情況下，較長(zhǎng)的刀具卻可以提供更好的加工操作性操椰。

　　這些現(xiàn)象的第一種能狼，即振顫與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，已經(jīng)被許多車間所理解跌仗，包括那些經(jīng)常使用這種知識(shí)的車間在內(nèi)顺雪。主軸轉(zhuǎn)速、刀夾和切削刀具的每個(gè)不同組合都代表了一種特定的有其固有多個(gè)穩(wěn)定特征頻率的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)掩若。進(jìn)行這樣的銑削會(huì)使切削刃的沖擊速度幾乎與這些諧振頻率之一相互匹配嘁凤，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進(jìn)行平滑切削。那些已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些“有效擊球點(diǎn)”可以為其加工過(guò)程產(chǎn)生什么好處的加工車間不愿意降低主軸轉(zhuǎn)速來(lái)避免振顫快鬓，他們卻用可利用的最高穩(wěn)定速度來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的材料去除率租躁。

　　振顫與刀具懸伸量也存在一定的關(guān)系，而這種關(guān)系卻沒(méi)有得到人們的青睞向楼。在這里查吊，刀具懸伸量被定義為刀具突出刀夾的長(zhǎng)度。彈簧夾頭和熱縮配合刀夾提供了改變刀具懸伸長(zhǎng)度的自由度湖蜕。利用這種變化逻卖，那些已經(jīng)用固有的穩(wěn)定主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行高速加工的車間可以實(shí)現(xiàn)甚至更高的生產(chǎn)率。

　　以穩(wěn)定的主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工所存在的一個(gè)限制是重荠，工藝過(guò)程的最高速度一般沒(méi)有使用箭阶，而最高金屬去除率卻產(chǎn)生于最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，因?yàn)樵谶@種速度下可以采用大得多的切深戈鲁。最高轉(zhuǎn)速和最高穩(wěn)定速度是兩個(gè)不同的數(shù)值仇参。但卻不一定非要這樣。改變刀具懸伸長(zhǎng)度會(huì)改變整個(gè)系統(tǒng)婆殿，因此會(huì)改變特征頻率诈乒。因此，為什么不可以通過(guò)精確選擇刀具懸伸量婆芦，讓“有效擊球點(diǎn)”正好落在主軸最高轉(zhuǎn)速處怕磨，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行“調(diào)諧”呢？

　　有一個(gè)開(kāi)發(fā)這種加工過(guò)程微調(diào)方法的研究者名叫Tony Schmitz绣摹，他是佛羅里達(dá)機(jī)床研究中心大學(xué)的助理教授醇颗。Schmitz教授將這種調(diào)諧稱為“敏感性匹配亞結(jié)構(gòu)分析”陨楼。他所工作的機(jī)構(gòu)是一個(gè)高速加工研究中心，有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室搭诬，除了其它資源外還包括一臺(tái)英格索爾Ingersoll高速加工中心蘸橡。

　　為了確定對(duì)于某個(gè)給定應(yīng)用場(chǎng)合的最佳刀具懸伸量，Schmitz博士進(jìn)行了一種“敲打?qū)嶒?yàn)”——類似于某些車間為了找出自己最佳轉(zhuǎn)速而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)转傍。在該實(shí)驗(yàn)中层褥，要在組成加工系統(tǒng)的機(jī)床和刀具組合體上附裝一個(gè)傳感器，同時(shí)還有一個(gè)用于敲打該系統(tǒng)的精巧的錘子以及用于測(cè)量頻率響應(yīng)的分析工具糜实。Schmitz博士首先在刀夾中沒(méi)有裝刀的情況下進(jìn)行這種實(shí)驗(yàn)彼兆。然后進(jìn)行第二實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)刀夾和刀具之間連接的韌性和阻尼。當(dāng)這些都知道以后错这，刀具本身就很簡(jiǎn)單邀秕，它對(duì)頻率響應(yīng)所起的作用就可以用數(shù)學(xué)方式進(jìn)行模型制作了。有了所有這些信息川愤，Schmitz博士就可以計(jì)算特定的懸伸長(zhǎng)度——允許該特定系統(tǒng)在靠近主軸最大轉(zhuǎn)速處進(jìn)行較深的切削而不發(fā)生顫振現(xiàn)象的懸伸長(zhǎng)度月幌。

　　Schmitz教授當(dāng)然知道，只有少數(shù)車間知道如何對(duì)自己的機(jī)床進(jìn)行“敲打?qū)嶒?yàn)”悬蔽，甚至更少的車間擁有計(jì)算最佳懸伸長(zhǎng)度所必需的振動(dòng)知識(shí)扯躺。但是，他在不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵤┑牡毒呶⒄{(diào)研究蝎困，對(duì)何時(shí)增加刀具長(zhǎng)度提供了總體方法录语，且這種方法不需要數(shù)學(xué)方面的深層理解。這種研究可以為那些當(dāng)前利用低顫振轉(zhuǎn)速的車間提供幫助禾乘，同時(shí)還可以對(duì)那些努力將高主軸速度與高長(zhǎng)徑比結(jié)合起來(lái)的車間提供幫助澎埠。

　　“有效擊球點(diǎn)”基礎(chǔ)

　　那些理解如何以低顫振轉(zhuǎn)速進(jìn)行操作的車間趨向于為航空工業(yè)服務(wù)。這其中有大量的理由始藕。這些車間主要加工鋁材——一種可以同時(shí)以高轉(zhuǎn)速和大切深進(jìn)行加工的材料蒲稳，條件是該加工過(guò)程可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)參數(shù)。

　　此外伍派，航空車間還很少有長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的零件江耀，允許他們通過(guò)試驗(yàn)對(duì)該過(guò)程進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，因此他們需要通過(guò)分析手段進(jìn)行微調(diào)诉植。所有這些都說(shuō)明祥国，沒(méi)有任何關(guān)于顫振或超越它的方法與航空零件或鋁材加工具有固有關(guān)系。諧振頻率加工有可能與采用中到大切深及高主軸轉(zhuǎn)速的任何應(yīng)用相關(guān)甚至與某些“速度不是如此之高”的過(guò)程有關(guān)蘑砖。

　　“顫振”初瓜，在這種加工背景中指的是自激振動(dòng)。主軸和刀具的每種組合都具有一定的諧振頻率——在這些頻率上系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)生振動(dòng)永僚。這些頻率會(huì)以表面波紋的形式在工件上留下痕跡否北。通過(guò)這種波紋夸莱，下一刀銑削會(huì)與它前面的一刀發(fā)生交互作用。由于切削刃沿波紋的波峰和波谷而沖擊不同點(diǎn)叹匹，因此切屑的厚度會(huì)從一個(gè)切削刃到下一個(gè)切削刃發(fā)生變化晕竿。顫振就是這種負(fù)荷變化的結(jié)果，且其嚴(yán)重程度會(huì)隨著名義切深的增加而變得更加劇烈吓蝌。

　　有一種避免顫振的方法，在某些高轉(zhuǎn)速下——對(duì)某些主軸和刀具系統(tǒng)超出10000rpm活乘，對(duì)另外一些系統(tǒng)超出15000rpm——切削刃速度沖擊有可能與系統(tǒng)的諧振頻率之一接近匹配授工。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，該過(guò)程可以說(shuō)是發(fā)生了調(diào)諧价恨∠覆悖可以在切深非常大的情況下進(jìn)行平滑的加工，因?yàn)榍邢髯饔门c表面波紋方式同步唬涧。

　　由刀具疫赎、刀夾及高速主軸組成的特定系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速和切深之間的關(guān)系表明，對(duì)于任何一個(gè)這樣的系統(tǒng)碎节，主軸轉(zhuǎn)速的上部分預(yù)計(jì)可以提供一個(gè)或多個(gè)“有效擊球點(diǎn)”捧搞，在“有效擊球點(diǎn)”可以非常大的切深進(jìn)行穩(wěn)定的加工。知道這種“有效擊球點(diǎn)”的車間通常愿意用這種速度之一進(jìn)行操作狮荔，因?yàn)橹C調(diào)轉(zhuǎn)速可以保證高得多的生產(chǎn)率胎撇。車間不是在20000r/min上運(yùn)行最高轉(zhuǎn)速達(dá)20000r/min的主軸，而是在預(yù)先確定的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速諸如17260r/min上運(yùn)行殖氏。這種穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速較慢晚树，但是相比而言對(duì)應(yīng)的切深卻要大得多，因此總體材料去除率也要更高一些雅采。

　　但是依然需要選擇一種其中存在進(jìn)一步改善余地的轉(zhuǎn)速或其它點(diǎn)爵憎。理想的加工過(guò)程應(yīng)該是可以在主軸最高轉(zhuǎn)速上進(jìn)行穩(wěn)定的切削。刀具調(diào)諧提供了實(shí)現(xiàn)這種理想加工過(guò)程的一種手段婚瓜。

　　刀具調(diào)諧

　　Schmitz博士在這種調(diào)諧方面的應(yīng)用領(lǐng)域之一是飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件宝鼓，其中有深度超出100mm的凹槽。為了降低這種零件的重量蝌秕，需要從凹槽的拐角處去除材料灌蛙。這種操作所必需的小尺寸立銑刀會(huì)存在很高顫振的問(wèn)題。

　　涉及該項(xiàng)目的工程師們嘗試了不同的懸伸長(zhǎng)度镐赖，每個(gè)懸伸長(zhǎng)度都采用最高主軸轉(zhuǎn)速而不改變加工過(guò)程中的任何其它參數(shù)又诡。在懸伸量為直徑的8倍時(shí)，刀具發(fā)生了顫振現(xiàn)象从巾。當(dāng)懸伸量為直徑的9倍時(shí)懦诸，刀具顫振甚至更厲害爬姓。但在懸伸量為10倍時(shí)，出現(xiàn)了意外的情況赖谷。在刀具懸伸較長(zhǎng)時(shí)慢沉，顫振反而減少了，因?yàn)檫@種懸伸長(zhǎng)度正好將“有效擊球點(diǎn)”轉(zhuǎn)移到靠近主軸的最高轉(zhuǎn)速處滥氏。此應(yīng)用及其它應(yīng)用中所進(jìn)行的刀具懸伸研究已經(jīng)使人們可以對(duì)其效應(yīng)給予某些大致說(shuō)明备洽。

　　如果懸伸的刀具發(fā)生顫振，降低懸伸是否會(huì)減少顫振妈踊？大多數(shù)人期待這個(gè)問(wèn)題的答案為肯定了嚎，但Schmitz博士說(shuō)這個(gè)問(wèn)題的答案只能是“可能是”。刀具長(zhǎng)度較短時(shí)通常比較穩(wěn)定廊营，但在某些情況下歪泳，讓刀具更長(zhǎng)可能會(huì)提高穩(wěn)定性。

　　車間是否可以預(yù)測(cè)什么時(shí)候需要用較長(zhǎng)的刀具長(zhǎng)度露筒？他說(shuō)呐伞，如果沒(méi)有建立模型，則無(wú)法確切知道慎式。但是伶氢，卻有一個(gè)特別的指標(biāo)為考慮這種問(wèn)題提供了根據(jù)。如果穩(wěn)定切削的最高轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離主軸的最高轉(zhuǎn)速瘪吏，那么可以嘗試采用較長(zhǎng)的懸伸長(zhǎng)度鞍历。

　　例如，如果主軸最高轉(zhuǎn)速為20000r/min肪虎，但固有的穩(wěn)定“有效擊球點(diǎn)”發(fā)生在大約13000r/min的轉(zhuǎn)速上劣砍，且沒(méi)有比這更接近最高轉(zhuǎn)速的速度，那么值得用更長(zhǎng)的懸伸長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)蚣狠。正確地增加懸伸長(zhǎng)度可能使加工過(guò)程的生產(chǎn)率大大提高就肪。

　　此外，改變懸伸長(zhǎng)度會(huì)改變整個(gè)系統(tǒng)号蒙，因此改變“有效擊球點(diǎn)”的位置赊设。更具體地說(shuō)，增加懸伸長(zhǎng)度會(huì)將“有效擊球點(diǎn)”轉(zhuǎn)移到較低的轉(zhuǎn)速上物坝。

　　這種向下轉(zhuǎn)移一般會(huì)損害生產(chǎn)率而不是提高生產(chǎn)率未奋。但是，對(duì)于具有13K“有效擊球點(diǎn)”的20K主軸妖职，沒(méi)有諧振頻率的間隙較長(zhǎng)冻绊，這表示，系統(tǒng)可能有另一個(gè)諧振頻率，就在主軸可以獲得的最大切削頻率之外瓷忙。增加刀具懸伸量將可能降低這種“超出范圍的”頻率耐陵，可能將它拉入到主軸頻率范圍內(nèi)。

　　增加懸伸長(zhǎng)度趨向于將穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速降低到較低數(shù)值泵网，相應(yīng)的最大切深也如此俏蛮。即如果可以捕捉原來(lái)位于主軸最高轉(zhuǎn)速以外的“有效擊球點(diǎn)”，并因此將它拉到正好位于主軸范圍內(nèi)上遥，則這種效應(yīng)是很有用的搏屑。

　　同時(shí)，該穩(wěn)定區(qū)的“峰值”——最大允許切深——降低了粉楚。這種下降是一種要求停止刀具調(diào)諧的警告睬棚。增加刀具長(zhǎng)度不僅會(huì)降低穩(wěn)定切削的轉(zhuǎn)速，同時(shí)還會(huì)降低切深因?yàn)榈毒攥F(xiàn)在剛性降低解幼。但是對(duì)于假想的主軸，20000r/min左右的穩(wěn)定切削要比13000r/min左右的切削具有更高的生產(chǎn)率包警，即使降低切深也是如此撵摆。

　　一個(gè)更重要的警告來(lái)自以下事實(shí)，即增加刀具懸伸量只趨向于將“有效擊球點(diǎn)”降低害晦。向下并向左移的穩(wěn)定峰值現(xiàn)象只在較窄的范圍內(nèi)起作用特铝。改變懸伸長(zhǎng)度還可能具有“撤換甲板”一樣的效應(yīng)。如果懸伸方面的變化將刀具本身的天然頻率移近主軸的自然頻率之一壹瘟，則結(jié)果可能是對(duì)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行一種全新分配鲫剿，使得刀具、主軸及懸伸長(zhǎng)度彼此之間都具有不同的關(guān)系宽剪。

　　案例研究

　　Schmitz博士詳細(xì)描述了一種特別引人注目的刀具調(diào)諧應(yīng)用锭鸣，其中涉及用轉(zhuǎn)速為24000r/min、電機(jī)功率為70kW的主軸加工鎳鋁青銅葵张。在該應(yīng)用中局限，允許的懸伸長(zhǎng)度范圍為107～127mm。

　　所測(cè)試的刀具之一是一把直徑為19mm的四排屑槽外圓角銑刀哀擒。在最小的懸伸量上棵辟，能以14680r/min的轉(zhuǎn)速和對(duì)應(yīng)切深1.6mm進(jìn)行平滑的全槽切削。如果在這種懸伸長(zhǎng)度下以最高主軸速度運(yùn)行讳董，則允許的切深只有0.2mm渗蚁。

　　將刀具懸伸到最大長(zhǎng)度時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速降到11820r/min豺章，切深降到0.9mm尖洞。較短的懸伸顯然可以提高生產(chǎn)率。
但是搅厕，已經(jīng)證明在最高懸伸長(zhǎng)度下用只帶兩個(gè)排屑槽的刀具能以23640r/min的速度進(jìn)行切削——這個(gè)速度非常接近最高主軸轉(zhuǎn)速外卷。在該轉(zhuǎn)速下可以實(shí)現(xiàn)的切深為1.8mm砍的。

　　換言之，排屑槽較少的刀具與具有較多排屑槽的刀具在金屬去除率方面不相上下莺治，此外還具有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)廓鞠，那就是允許采用較高的刀具懸伸長(zhǎng)度。

　　調(diào)諧效用

　　這種刀具與直覺(jué)相對(duì)立的選擇谣旁，其效率是通過(guò)數(shù)學(xué)方式而不是通過(guò)在機(jī)床上用樣品刀具實(shí)施切削試驗(yàn)而發(fā)現(xiàn)的床佳。典型的車間沒(méi)有實(shí)施這種模型制作的能力——更不用說(shuō)配備適當(dāng)設(shè)備可在自己的機(jī)床上實(shí)施頻率響應(yīng)測(cè)量的少量車間了——這一點(diǎn)對(duì)刀具調(diào)諧技術(shù)投入廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了嚴(yán)重障礙。

　　但是榄审，Schmitz博士卻發(fā)現(xiàn)了一種可以克服這種障礙的資源砌们。基于網(wǎng)絡(luò)的公共設(shè)施可以為各種主軸和刀夾組合給出頻率響應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)搁进，同時(shí)還有各種刀具設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型浪感。這樣，用戶可以簡(jiǎn)單地輸入某個(gè)給定加工的基本參數(shù)饼问，從而得到最佳低顫振速度和切深數(shù)值影兽。利用這種公用設(shè)施，任何生產(chǎn)人員都可以對(duì)刀具類型和刀具懸伸長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)莱革，以確定什么樣的組合可以提供最好的切削性能掂篷。

　　為了開(kāi)發(fā)這樣一種資源，研究者們將拜訪主要的主軸制造商和機(jī)床制造商揣洁，在主軸中裝上不同類型的刀夾對(duì)他們的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主軸設(shè)計(jì)進(jìn)行敲打?qū)嶒?yàn)鳖弱。研究者們還將對(duì)在高速加工應(yīng)用中最可能用到的各種銑刀結(jié)構(gòu)建立模型。

　　Schmitz說(shuō)铭轩，這方面的工作量非常巨大益丘，但是肯定可以成功。他希望在他所工作的大學(xué)開(kāi)發(fā)這種資源薯摩，并且希望自己監(jiān)督這種開(kāi)發(fā)過(guò)程吝啰。他當(dāng)前正在尋找讓這種想法變成現(xiàn)實(shí)所必需的支持。

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