怎样控制振颤

作者：Peter Zelinski

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 当Kevin Berry的车间购买了第一台高速加工中心时，Berry先生并没有体会到他得到了一台相当于小提琴的金属加工设备。但是，这是想象高速铣削的一种方法。 一把横过小提琴弦的琴弓，产生弓和弦之间的相互作用，从而产生声音。声音或是悦耳，或是刺耳，则取决于小提琴手的技巧。 同样，横过工件的一把铣刀，产生刀具与工件之间的相互作用。刀具和主轴一起在振动。这振动在零件上留下很多微小的波纹。这些波纹会使刀刃受到变动的载荷。我们把这效果称为振颤。正像小提琴的声音一样，高速铣削过程也可能是刺耳的或悦耳的。 切削策略 对付振颤的一种普通方法是减小切深，因而有较小的力产生振动。另一种通常的办法是提高系统的刚性，或者使用较短的刀具，或者采用一种有较大夹紧力的刀夹(例如过盈配合)。 用高速铣削主轴，可能有一种更好的选择。这里的 “高速” 意味着主轴转速至少达到10,000r/min或15,000r/min。当主轴能达到至少那个高速时，有很多机会，在这速度范围内，一些看上去不可思议的速度，会使振颤平静下来，因而能进行更重的深切削。 这效果可能好象不可思议，但解释十分合理。在那特定的速度下，切削刃冲击的速率与系统的自然频率同步。虽然刀具仍在振动，但切削载荷不再波动。结果，在达到振颤临界值以前，有可能切削深得多。这样，金属切除率提高，效率也提高。找到这速度的窍门其实很简单。 因为主轴和工艺装置形成一个单一系统，这最佳主轴速度，在每次使用不同型式的刀夹或切削刀具时是不同的。因而要找到和使用这些最佳速度，需要记住各种不同组合的工艺装置，使用各种特定的速度。但是，这要求不是不能克服的。 Berry先生知道所有这些。他不知道的是怎样(从实际的观点)找出这些最佳速度。 如果少许几把刀具加工很多任务件，那怎么办？ Berry先生任职于Lexmark激光和喷墨打印机制造商。在美国肯塔基州列克星敦(Lexington)的公司总部，有一个加工车间帮助进行新设计打印机原型的评估和测试。打印机评估的早期阶段可用物理模型作为打印机零件的替代品，但当测试打印机的性能更严格时，在设计要求造型零件之处，只能用造型零件。Berry先生任职于模型和工具服务部，该部制作为此目的用的模型。他的车间制造的模型，产品研制周期(从设计到实际投产)短，用于短期运作。许多模型也进行修改，因为工程师们不断改进他们的设计。 以前用放电加工制做这些模型，现在，复杂的模型仍然用放电加工，但车间的小量生产模型巳经不依赖放电加工了。当模型需要特别快时，制作电极和烧制一个零件的过程响应不足够快，因而车间买了一台30,000r/min的牧野V33立式加工中心，以便能在较短的时间提供模型。 掌握振颤是使这加工中心的响应性提到最高的关键。振颤不是机床的缺陷；它是物理缺陷。每个主轴、刀夹和刀具系统都有几组频率，在这些频率下，它自然要振动。在某些较高的主轴速度下，有可能切削刃足够频繁地撞击零件，以至这些冲击正好与这些自然频率之一同步。这样所导致的平稳切削，有可能铣削更深，而不会使刀具或机床变形。在很多加工过程中，加工应该由刀具强度和机床动力决定时，振颤反而成为规定最大切削参数的障碍。狭窄的稳定区和最佳主轴速度是允许超越这障碍的振颤壁垒的缺口。 一些CNC机床的用户承认是这样。这些车间大多加工飞机零件。他们以高的主轴速度铣削铝件，克服了振颤，使他们以快得多的生产率切除金属。像这些车间，用电子仪器测量他们一起使用的每套组合的主轴、刀具和刀夹的频率响应。但是，Berry先生的应用实例不能证明购买这设备的费用和学习如何很好地使用它所需要的时间是合算的。 “我有四把最爱好的粗切刀，”他说：“每把刀每次用同一个刀夹。有一台高速机床。如果我能知道这四种情况的正确速度，那么就会包括所有粗切工作的百分之九十。” 依靠外援来完成这试验是另一种选择，但Berry先生宁愿自己作。如果一些不寻常的模型，要求用因为刀颤而不能有效运转的长柄刀，那怎么办？Berry先生想能自己响应这个问题而不用等待外来的帮助。 答案来自他的计算器辅助制造(CAM软件供货商，设在美国俄亥俄州Milford)UGS的办公室。Edwin Gasparraj对这个问题提供了一些主意。Gasparraj先生是该公司的NX加工部产品经理，产品包括设计模型加工的复杂刀具路径用的CAM软件。这对错综复杂的刀具路径的强调是令人啼笑皆非的，因为Gasparraj先生用于找出最佳速度的专利未决程序，包含的只不过是铣削直线和平行线。 结果 来自UGS的程序提供了在各种速度和切深的情况下进行加工的系统途径，以便决定最有效的条件。 一组结果示于上表。在这特殊的试验中，7,000m/min和9 500m/min的情况下，刀具切削平稳，虽然P20钢也可以用11 500m/min试验。这样，有两个不同的稳定速度可用，并不过多，Berry先生说。只要机床、刀具和刀夹相同，转速的稳定值可以根据不同的工件材料来转换。相应的切深不变(这些必须分别确定)，但速度保持同样。因此，Berry先生会用9,500转的刀具转速加工P20，但如果用同样刀具切削较难加工的金属，要求较低的切削速度(圆周速度，英尺/分)，则选择7,000r/min更合适。 这试验切削程序的一个限制是关于刀具尺寸。Berry先生对于直径6mm、 8mm和10mm的刀具，用这些试切来找出正确的参数。对于比这小得多的刀具，用这种试验就不行。切削声音变得太微小，听不到振颤，工件上的颤纹变得太小，看不见。 当刀具足够大时，这程序虽然简单，但很有价值。一把新刀具的正确速度和切深，在不到半小时就能得到。当Berry先生使用一把新刀具时，预先建立稳定切削条件，能提高效率。即使只加工一个零件，在加工前找到正确的参数，也比对付一些不理想条件下的刀具，更省时间。 金属切除率倍增 这表说明Lexmark车间一直使用的一种刀具的生产率提高的情况。Berry先生希望加工效率尽可能提高，他可能巳选择了这刀具所允许的最高速度11,500r/min(基于刀具供应商的推荐)。如果他是这样的话，他的无振颤径向切深将限制在0.5mm。金属切除率为0.5×4×1106或3 220mm3/min。 与在稳定速度下切削相比较，把转速降到9 500m/min，允许无振颤径向切削深度为3.5mm。现金属切除率为3.5×4×1330或18 620mm3/min。生产率提高几乎6倍。即使用较低的稳定转速7,000m/min，金属切除率也能提高4倍。 令人啼笑皆非，用这方法切削，看起来不太像高速切削。在可用到30,000m/min的机床上，自然要求是刀具能用多高的转速就用到多高。但是，那样做没有意义。如果在一些较低速度下能进行相当深的切削，那么，高的主轴速度与不深的切削组合就是浪费的。 换句话说，如果机床像一把小提琴，那么Berry先生要像拉小提琴一样使用它。他不想低效使用这机床，虚度光阴，浪费他公司的时间。 说明：这两个槽都是用同一把刀在同一台机床上铣削的。它们之间的振颤不同。较光滑的情况是在一些最佳铣削速度下，振颤平静下来进行铣削的，从而可能达到较高的金属切除率。 Devin Berry和Edwin Gasparraj监视他们设计的切削循环，以便查出最佳切削条件。他们用快速系统型试件，确定适合特定组合的主轴和工艺装置的，能用于生产的主轴速度和切深。 这是一个试件加工最后台阶深度后的照片，台阶跨过深度列于对面页的表上。稳定切削发生在7,000r/min和9,500r/min。 这表概括了刀具、刀夹和主轴的一种组合的试验结果。进行这试验大约需要半小时。绿色区表示稳定切削。 怎样找到稳定的铣削速度 这就是USG的Edwin Gasparraj在Lexmark用来找到无振颤铣削速度的程序: ·确定机床、刀夹和刀具的一种组合 选定被试验的机床、刀具、刀夹和刀具长度的组合。试验结果只对这组合有效。这里叙述的Lexmark的特定试验包括一台牧野V33加工中心和30mm长的10mmJabro Tornado球端铣刀，装在HSK刀夹中。 ·准备一个成角度的工件 准备一个试件，相对于切削刀具有一个成角度的斜坡。见图。选一个带角度的工件，能腾出刀夹的空间。选择工件的高度，至少有切深的12倍(见第3步)，并选择工件的长度，使零件的顶面(较短的面)能悬出虎钳至少两倍刀具直径的距离。 Lexmark使用了与铅垂成30℃角的试件。材料为P20号钢，这是制做模型最常用的材料。 ·选择切削深度和切屑载荷 选择轴向切深大约为刀具直径的1/3。按刀具供货商的推荐来选择切屑载荷。在整个试验中，这两个参数要保持固定不变。Lexmark使用了4mm的切深和0.072mm/齿的刀屑载荷。 ·确定试验的主轴速度范围 按刀具供货商的推荐，找到用被试验的工件材料时，刀具的最高主轴速度。对于这个试验，刀具供应商建议的转速为：对于全部直径的最高速度为9,000m/min。因为该试验不会使用全部直径的球端刀具，所以Lexmark使用较快的速度11 500m/min。 ·以固定的台阶跨量运行平行的试验工步 写一个程序，在不同的Z高度上，进行一系列平行铣削工步。从一个工步到下一个工步提高主轴速度。Lexmark采用12个工步，以500m/min的增量，从6,000m/min到11 500m/min。 在这些工步中，保持切屑载荷固定不变。这就意味着当转速改变时，编程的进给率(英寸/分或mm/min)将改变。 用机床的X轴偏置寄存器来建立所有工步的径向切深。Lexmark从0.5mm径向切深开始。 ·评估切削和工件 倾听，然后观察。从不同工步的声音可以感觉出在哪儿发生振颤。然后，在切削完成以后，检查工件。足够精密的检查可以包括倾斜这装置，用一盏闪光灯，或者用一些工件夹持的快速释放方法，使零件能拿开加工区作研究，并很快再装到它先前的位置。对于零件上的每个个别的工步，确定加工表面显示平稳切削、轻微振颤还是严重振颤。记录这信息。在开始，当径向切深仍然很小时，所有的工步可能显示稳定切削。 ·用下一个较大的台阶跨量运行试验 改变X偏置寄存器，达到增长较大的径向切深，然后，再运行试验，只改变径向切深。Lexmark的第二次试验采用每个工步径向切深为1.0mm。 ·继续 用这方法继续，逐渐增加径向切深，注意在不同转速下振颤的区别。如果径向切深增加足够高，在某些转速下振颤会很严重。希望在某些转速下振颤小。有一个或几个速度可能继续平稳切削。 如果有一个或几个转速明显表现较好，那幺，没有必要在严重振颤的情况下继续试验。从这点出发，只要试验稳定的速度，看看在这些速度下，采用多大的切深是完全可能的。 这试验装置表示角度试件铣削工步的型式。每个工步径向切深(台阶跨量)相同，但每个工步的主轴速度不同。当再运行这些工步时，径向切深增加，重复所有同样的主轴速度。用这方法继续试验，直到确定稳定的速度。 用无振颤铣削 ·为了确保在试切中找到的稳定速度，也能用于生产，确保装置条件尽可能可重复。例如，每次夹紧弹簧夹头用同样的扭矩。 ·对于机床、刀夹、刀具和刀具长度的每个不同组合，要重复试验。这听起来好象很费事，但确实有很大好处。 ·由一个工件材料变到另一种材料，最佳主轴转速也要转换。但是，相应的轴向和径向切深必须按材料的要求确定比例。 ·你能用同一制造商的类似刀具代替试验刀具。 ·你也能用相似的另外刀夹代替试验刀夹。 ·上述叙述的程序包括保持轴向切深固定不变和增加径向切深。你能设计一个相反途径的试验，保持径向切深固定不变，增大轴向切深。任何一个途径都应得到同样的最佳速度。 原载《国际金属加工商情》(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/27/2006)