刀具懸伸效應(yīng)

 對于高速加工，可能需要對加工過程進(jìn)行與直覺相對立的調(diào)整。在發(fā)生顫振時，人們自然的反應(yīng)是降低主軸轉(zhuǎn)速，但事實上增加轉(zhuǎn)速卻是一種生產(chǎn)率更高的解決方法。對顫振問題另一種經(jīng)常想到的方法是換用一種長徑比較低的刀具，因為人們認(rèn)為較短的刀具韌度較高。但是，在某些情況下，長度較高的刀具卻可以提供更好的加工操作。

　　這些現(xiàn)象的第一種，即顫振和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，已經(jīng)被許多車間理解，包括那些經(jīng)常使用這種知識的車間在內(nèi)。主軸轉(zhuǎn)速、刀夾和切削刀具的每個不同組合都代表了一種特別的有它自己固有（多個）穩(wěn)定特征頻率的動態(tài)系統(tǒng)。進(jìn)行這樣的銑削-使切削刃沖擊速度幾乎與這些諧振頻率之一匹配，且刀具可以（比更快或更慢速度可以切削的切深）更高的切深進(jìn)行平滑切削。那些已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些“有效擊球點”可以為其加工過程產(chǎn)生什么樣的好處的加工車間不愿意降低主軸轉(zhuǎn)速來避免顫振，他們卻用可利用的最高穩(wěn)定速度來實現(xiàn)較高的材料去除率。

　　在顫振和刀具懸伸方面也存在一定的關(guān)系，而這種關(guān)系卻沒有得到人們的青睞。在這里刀具懸伸被定義為刀具突出刀夾的長度。彈簧夾和熱收縮配合刀夾提供了改變刀具懸伸長度的自由度。利用這種變化，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現(xiàn)甚至更高的生產(chǎn)率。

　　以穩(wěn)定主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工所存在的一個限制是，過程的最高速度一般沒有使用，而最高金屬去除率卻產(chǎn)生于最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，因為在這種速度下可以產(chǎn)生高得多的切深。最高轉(zhuǎn)速和最高穩(wěn)定速度是兩個不同的數(shù)值。但卻不一定非要這樣。改變刀具懸伸長度會改變整個系統(tǒng)，因此會改變特征頻率。因此，為什么不通過選擇精確刀具懸伸-讓“有效擊球點”正好落在主軸最高轉(zhuǎn)速處-而對系統(tǒng)進(jìn)行“調(diào)諧”呢？

　　有一個開發(fā)這種加工過程微調(diào)方法的研究者名叫 Tony Schmitz，他是佛羅里達(dá)機(jī)床研究中心大學(xué)的助理教授。Schmitz教授將這種調(diào)諧稱為“敏感性匹配亞結(jié)構(gòu)分析”。他所工作的機(jī)構(gòu)是一個高速加工研究中心，具有一個實驗室，除了其它資源外還包括一臺英格索爾（Ingersoll）高速加工中心。

　　為了確定對于某個給定應(yīng)用場合的最佳刀具懸伸，Schmitz博士進(jìn)行了一種“敲打?qū)嶒?rdquo;-類似于某些車間為了找出自己最佳轉(zhuǎn)速而進(jìn)行的實驗（見圖1）。在該實驗中，要在組成加工系統(tǒng)的機(jī)床和刀具組合體上附裝一個傳感器，同時還有一個用于敲打該系統(tǒng)的精巧的錘子以及用于測量頻率響應(yīng)的分析工具。Schmitz博士首先在刀夾中沒有裝刀的情況下進(jìn)行了這種實驗。然后進(jìn)行第二實驗來評價刀夾和刀具之間連接中的韌性和阻尼。當(dāng)這些都知道以后，刀具本身就很簡單，它對頻率響應(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，Schmitz博士就可以計算特定的懸伸長度-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)象的懸伸長度。

　　Schmitz教授當(dāng)然知道，只有少數(shù)車間知道如何對自己的機(jī)床進(jìn)行敲打?qū)嶒灒�甚至更少的車間擁有計算最佳懸伸長度所必需的振動知識。但是，他在不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵤┑牡毒呶⒄{(diào)研究，對何時增加刀具長度提供了總體的方法，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，同時還可以對那些努力將高主軸速度與高長徑比結(jié)合起來的車間提供幫助。

　　“有效擊球點”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。這些車間主要加工鋁材-一種可以同時以高轉(zhuǎn)速和切深進(jìn)行加工的材料，條件是該加工過程可以一次實現(xiàn)這兩個參數(shù)。

　　此外，航空車間還很少有長期運轉(zhuǎn)的零件，允許他們通過試驗對該過程進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，因此他們需要通過分析手段進(jìn)行微調(diào)。所有這些都說明，沒有任何關(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高切深及高主軸轉(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”過程有關(guān)）。

　　采用“敲打”試驗測試主軸和刀具特定系統(tǒng)頻率響應(yīng)的情況。通過頻率響應(yīng)可以給出最穩(wěn)定的銑削速度。

　　“顫振”，在這種加工背景中，指的是自激勵振動。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)會本能地發(fā)生振動。這些頻率會以表面波紋的形式在工件上留下痕跡。通過這種波紋，下一刀銑削會與它前面的一刀發(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，因此切屑的厚度會從一個切削刃到下一個切削刃發(fā)生變化。顫振就是這種負(fù)荷變化的結(jié)果，且其嚴(yán)重程度會隨著名義切深增加而變得更加劇烈。

　　有一種避免顫振的方法，在某些高轉(zhuǎn)速下-對某些主軸和刀具系統(tǒng)超出10,000rpm，對另外一些系統(tǒng)超出

　　15,000rpm-切削刃速度沖擊有可能與系統(tǒng)的諧振頻率之一接近于匹配。當(dāng)這種情況發(fā)生時，該過程可以說是發(fā)生了調(diào)諧�？梢栽谇猩罘浅８叩那闆r下進(jìn)行平滑的加工，因為切削作用與表面波紋方式同步。

　　表示的是這種現(xiàn)象的后果。該示意圖表示了允許切深對于典型的加工過程在可變速度范圍上發(fā)生變化的方式。峰值表示“有效擊球點”，在這里可以非常高的切深進(jìn)行穩(wěn)定的加工。知道這種“有效擊球點”的車間通常愿意用這種速度之一進(jìn)行操作，因為諧調(diào)轉(zhuǎn)速可以保證高得多的生產(chǎn)率。車間不是在20,000r/min上運行最高轉(zhuǎn)速達(dá)20,000r/min的主軸，而是在預(yù)先確定的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速諸如17,260r/min上運行。這種穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速較慢，但是相比而言對應(yīng)的切深卻要高得多，因此總體材料去除率也要更高一些。

　　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。理想的加工過程應(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)諧提供了實現(xiàn)這種理想加工過程的一種手段。

　　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，其中有深度超出100mm的凹槽。為了降低這種零件的重量，需要從凹槽的拐角處去除材料。這種操作所必需的小尺寸立銑刀會存在很高的顫振問題。

　　涉及該項目的工程師們嘗試了不同的懸伸長度，每個懸伸長度都采用最高主軸轉(zhuǎn)速而不改變加工過程中的任何其它方面。在懸伸為直徑的8倍時，刀具發(fā)生了顫振現(xiàn)象。當(dāng)懸伸為直徑的9倍時，刀具顫振甚至更厲害。但在懸伸為10倍時，出現(xiàn)了意外的情況。在刀具懸伸較長時，顫振反而減少了，因為這種懸伸長度正好將“有效擊球點”轉(zhuǎn)移到靠近主軸的最高轉(zhuǎn)速處。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)使人們可以對其效應(yīng)給予某些大致說明。

　　如果懸伸的刀具發(fā)生顫振，降低懸伸是否會減少顫振？大多數(shù)人期待這個問題的答案為肯定，但Schmitz博士說這個問題的答案只能是“可能是”。刀具長度較短通常比較穩(wěn)定，但在某些情況下，讓刀具更長可能會提高穩(wěn)定性。

　　該示意圖說明了由刀具、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。對于任何一個這樣的系統(tǒng)，主軸轉(zhuǎn)速的上部分預(yù)計可以提供一個或多個""有效擊球點""，其中可以采用非常高的切深。

　　某些工程師可能將這些圖看成是頻率響應(yīng)圖的“真實”和“想象”成分。但是這里不需要理解它是什么含義。圖形表示在某個給定的應(yīng)用場合以不同懸伸長度使用同一把刀具發(fā)生顫振的趨勢。振幅較高意味著發(fā)生顫振的趨勢較高。這些圖表示，在將長徑比從8:1增加到9:1時，增加懸伸長度會增加顫振的趨勢。但是，當(dāng)這種比例增加到10:1時，這種趨勢又倒過來了，此時卻產(chǎn)生了更加穩(wěn)定的懸伸值。

　　增加懸伸長度趨向于將穩(wěn)定性峰值向下并向左移動，也就是說，穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速降低到較低數(shù)值，相應(yīng)的最大切深也如此。如果他可以捕捉原來位于主軸最高轉(zhuǎn)速以外的“有效擊球點”并因此將他拉到正好位于主軸范圍內(nèi)，則這種效應(yīng)是很有用的。

　　車間是否可以預(yù)測什么時候需要用較長的刀具長度？他說，如果沒有模型制作，則無法確切知道。但是，卻有一個特別的指標(biāo)為考慮這種問題提供了根據(jù)。如果穩(wěn)定切削的最高轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)地脫離主軸的最高轉(zhuǎn)速，那么可以嘗試采用較長的懸伸長度。

　　例如，如果主軸最高轉(zhuǎn)速為20,000r/min，但固有的穩(wěn)定“有效擊球點”發(fā)生在大約13,000r/min轉(zhuǎn)速上，且沒有比這更接近最高轉(zhuǎn)速的速度，那么值得用更長的懸伸長度進(jìn)行實驗。正確增加懸伸長度可能使加工過程生產(chǎn)率大大提高。

　　此外，改變懸伸長度會改變整個系統(tǒng)，因此改變“有效擊球點”的位置。更具體地說，增加懸伸長度會將“有效擊球點”轉(zhuǎn)移到較低的轉(zhuǎn)速上。

　　這種向下轉(zhuǎn)移一般會損害生產(chǎn)率而不是提高生產(chǎn)率。但是，對于具有13K“有效擊球點”的20K主軸，沒有諧振頻率的間隙較長，這表示，系統(tǒng)可能有另一個諧振頻率，就在主軸可以獲得的最大切削頻率之外。增加刀具懸

　　伸將可能降低這種“超出范圍的”頻率，可能將它拉入到主軸頻率范圍內(nèi)。

　　圖4說明了這一點。由于采用較長的刀具，因此原來超出范圍的穩(wěn)定區(qū)移到了左邊，讓這種區(qū)域拉低到了加工過程的速度范圍內(nèi)。現(xiàn)在該系統(tǒng)可以在靠近20,000r/min而不是13,000r/min轉(zhuǎn)速處進(jìn)行平滑的深切削。

　　同時，該穩(wěn)定區(qū)的“峰值”-最大允許切深-降低了。這種下降是一種要求停止刀具調(diào)諧的警告。增加刀具長度不僅會降低穩(wěn)定切削的轉(zhuǎn)速，同時還會降低切深（因為刀具現(xiàn)在剛性減低）。但是對于假想的主軸，20,000r/min左右的穩(wěn)定切削要比13,000r/min左右的切削具有更高的生產(chǎn)率，即使降低切深也是如此。

　　一個更重要的警告來自以下事實，即增加刀具懸伸只趨向于將“有效擊球點”降低。向下并向左移的穩(wěn)定性峰值現(xiàn)象只在較窄的范圍內(nèi)起作用。改變懸伸長度還可能具有“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，則結(jié)果可能是對穩(wěn)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行一種全新分配，使得刀具、主軸及懸伸長度彼此之間都具有不同的關(guān)系。

　　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，其中涉及用轉(zhuǎn)速為24,000r/min，電機(jī)功率為70kW的主軸加工鎳鋁青銅。在該應(yīng)用中，允許的懸伸長度范圍為107-127mm。

　　所測試的刀具之一是一把直徑為19mm的四排屑槽外圓角銑刀。在最小的懸伸尺寸上，能以14,680r/min的轉(zhuǎn)速，對應(yīng)切深為1.6mm進(jìn)行平滑的全槽切削。（如果在這種懸伸長度下以最高主軸速度運行，則允許的切深只有0.2mm。）

　　將刀具懸伸到最大長度時，穩(wěn)定運行的最高轉(zhuǎn)速降到11,820r/min，切深降到0.9mm。較短的懸伸顯然可提高生產(chǎn)率。

　　但是，已經(jīng)證明在最高懸伸長度下用只帶兩個排屑槽的刀具能以23,640r/min的速度進(jìn)行切削-這個速度非常接近最高主軸轉(zhuǎn)速。在該轉(zhuǎn)速下可以實現(xiàn)的切深為1.8mm。

　　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，此外還具有另外一個優(yōu)點，那就是允許采用較高的刀具懸伸長度。

　　調(diào)諧效用

　　這種在刀具與直覺相對立的選擇，其效率是通過數(shù)學(xué)方式而不是通過在機(jī)床上用樣品刀具實施切削試驗而發(fā)現(xiàn)的。典型的車間沒有實施這種模型制作的能力-更不用說配備適當(dāng)設(shè)備可以在自己的機(jī)床上實施頻率響應(yīng)測量的少量車間了 ? 這一點對刀具調(diào)諧投入廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了嚴(yán)重的障礙。

　　但是，Schmitz博士卻發(fā)現(xiàn)了一種可以克服這種障礙的資源。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)測量數(shù)據(jù)庫，同時還有各種刀具設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。這樣，用戶可以簡單地輸入某個給定應(yīng)用的基本參數(shù)，從而得到最佳低顫振速度和切深數(shù)值。利用這種公用設(shè)施，任何生產(chǎn)人員都可以用刀具類型和刀具懸伸長度進(jìn)行實驗，以確定什么樣的組合可以提供最好的性能。

　　為了開發(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，在主軸中裝上不同類型的刀夾而對他們的各個標(biāo)準(zhǔn)主軸設(shè)計進(jìn)行敲打試驗。研究者們還將對在高速加工應(yīng)用中最可能用到的各種銑刀結(jié)構(gòu)制定模型。

　　Schmitz說，這方面的工作量將非常巨大，但是肯定是可以成功的。他希望在他所工作的大學(xué)開發(fā)這種資源，并且希望自己監(jiān)督這種開發(fā)過程。他當(dāng)前正在尋找讓這種想法變成現(xiàn)實所必需的支持。