振動(dòng)分析是檢測(cè)加工中心性能的非常重要的一個(gè)方面，但也是目前缺失的一個(gè)方面。如果沒(méi)有在高速機(jī)床上進(jìn)行過(guò)這種分析，那么機(jī)床制造廠商也許就不會(huì)知道機(jī)床究竟能做些什么？
在進(jìn)行銑削加工中，因走刀情況不好而發(fā)出刺耳的難聽(tīng)的聲音時(shí)，富有經(jīng)驗(yàn)的機(jī)械師和NC編程員都會(huì)有所反應(yīng)。這是由于其所選用的切削參數(shù)不夠理想造成的，面對(duì)這一情況，他們就會(huì)減少某些參數(shù)。也就是說(shuō)，他們將會(huì)調(diào)低某些工藝參數(shù)。
他們所降低的某些特定參數(shù)可能是切削深度，也可能是速度和進(jìn)給率的組合參數(shù)，甚至是刀具的懸臂長(zhǎng)度。不管是什么參數(shù)，“下調(diào)”是獲得較好加工性能的一個(gè)靈活策略。經(jīng)驗(yàn)較為豐富的加工人員，在調(diào)節(jié)這些參數(shù)方面是非常熟練的，他們能夠?qū)⑦@些參數(shù)降低到必要的程度，以使其達(dá)到可接受的切削水平。在大多數(shù)加工車(chē)間中，采用這種降低加工參數(shù)的方法——這種折衷方案——被看作是操作人員的一種正確反應(yīng)。
然而，在高速加工中，采用這種降低加工參數(shù)的方法并不是正確的應(yīng)對(duì)措施。事實(shí)上，人們甚至發(fā)現(xiàn)這一做法是與高速加工的本質(zhì)背道而馳的。
參數(shù)本身是十分重要的，如切削深度、主軸轉(zhuǎn)速和刀具長(zhǎng)度都會(huì)影響到加工的性能。然而，當(dāng)一臺(tái)高速加工的機(jī)床發(fā)出的振顫聲，并反映出機(jī)床的加工性能表現(xiàn)不佳時(shí)，“下調(diào)”參數(shù)可能會(huì)適得其反。有許多采用高速加工中心的車(chē)間，就因此而白白浪費(fèi)了他們的實(shí)際生產(chǎn)能力，最終無(wú)法達(dá)到生產(chǎn)目標(biāo)。
在高速加工應(yīng)用領(lǐng)域中，為了達(dá)到更加穩(wěn)定的切削加工，很多廠家也許仍然需要采用參數(shù)“下調(diào)”的方式，但有一種更加有效的方法，即采用參數(shù)“上調(diào)”的方式。如果同時(shí)涉及到主軸轉(zhuǎn)速和刀具長(zhǎng)度這兩個(gè)參數(shù)，那么應(yīng)付振顫的更好答案將是提高其中的某一個(gè)參數(shù)。雖然這看起來(lái)有些奇怪，但實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，較高的主軸轉(zhuǎn)速和較低剛性的刀具，或者只占其一，都可允許機(jī)床處理更具侵略性的切削深度，因?yàn)檫@些變化使系統(tǒng)的振動(dòng)傾向更為和諧。凡是認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)的加工車(chē)間，都能理解高速加工的真正實(shí)質(zhì)，就是在主軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，只憑直覺(jué)或經(jīng)驗(yàn)是無(wú)法確定的，不同的情況下都有不同的理想切削條件?，F(xiàn)在有一個(gè)機(jī)加工車(chē)間對(duì)此十分了解，這個(gè)車(chē)間就是位于喬治亞州的WarnerRobins空軍基地的一個(gè)分部。
軍工業(yè)中的銑削加工
這個(gè)能夠進(jìn)行快速反應(yīng)的車(chē)間是空軍第402維護(hù)大隊(duì)中第573產(chǎn)品維修中隊(duì)的一個(gè)分部。該加工車(chē)間的任務(wù)包括戰(zhàn)斗機(jī)和運(yùn)輸機(jī)更換備件的加工，全世界凡是飛往這個(gè)基地的所有飛機(jī)的替換件，都由其負(fù)責(zé)加工。這里的維修非常頻繁，因?yàn)檫@些飛機(jī)需要快速地返回行動(dòng)狀態(tài)，因此該車(chē)間往往需要根據(jù)有限的交貨時(shí)間要求，小批量生產(chǎn)一些復(fù)雜和關(guān)鍵的零部件。
編程員DavidDevore先生和MikeEstes先生說(shuō)，最初當(dāng)這一加工車(chē)間開(kāi)始使用高速加工中心時(shí)，他們對(duì)此一無(wú)所知，所以當(dāng)時(shí)該機(jī)床的使用效率非常低下。在使用這些機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)，刀具經(jīng)常被折斷，其中包括3/4in（1in=25.4mm）的端面銑刀。從這一車(chē)間的反應(yīng)情況來(lái)看，只能是放慢某些加工項(xiàng)目的切削速度。
但是，當(dāng)該車(chē)間從Makino公司引進(jìn)和安裝其最高達(dá)30000r/min的MAG3型高速加工中心時(shí)，他們對(duì)該機(jī)床進(jìn)行了“敲擊試驗(yàn)”。也就是說(shuō)，該車(chē)間采用一把靈敏的錘子，像打鐘那樣擊打主軸中安裝的刀具，以測(cè)試機(jī)床的振動(dòng)特性。
采用“敲擊試驗(yàn)”可以找到使金屬切削速度達(dá)到最高的主軸轉(zhuǎn)速和切削深度
采用這種分析方法的目的是為了找出特定機(jī)床上使用的每一把刀具或刀柄在調(diào)試后的穩(wěn)定切割速度。在Robins公司，一旦找到了這些穩(wěn)定的參數(shù)，他們就將其使用于新的機(jī)床上，從而提高了該車(chē)間零件的加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和刀具使用壽命，且全部指標(biāo)都超過(guò)了其高速銑削加工時(shí)所達(dá)到的水平。由于差距是如此之大，因此該車(chē)間決定在其現(xiàn)有的高速機(jī)床上也進(jìn)行同樣的分析試驗(yàn)。在這些機(jī)床上，該車(chē)間發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其以相當(dāng)高的速度運(yùn)行并超過(guò)該車(chē)間以前所一直運(yùn)行的速度時(shí)，許多刀具的工作更加穩(wěn)定，更富有成效并更加安全。開(kāi)機(jī)后，使其速度與這些最佳參數(shù)一致，車(chē)間立即開(kāi)始更安靜地工作運(yùn)行，切削量增大，零件的加工質(zhì)量提高，而且刀具沒(méi)有出現(xiàn)被折斷的現(xiàn)象。
現(xiàn)在，該車(chē)間開(kāi)始采用從振動(dòng)分析中獲得的參數(shù)來(lái)運(yùn)行高速機(jī)床。當(dāng)超過(guò)一定的速度時(shí)，該車(chē)間認(rèn)識(shí)到，這種分析實(shí)際上對(duì)機(jī)床實(shí)現(xiàn)全面的效益至關(guān)重要。
這其中的原因與共振頻率有關(guān)。機(jī)床、刀柄和刀具的每一種特殊組合，都有特定的穩(wěn)定速度值，從而允許機(jī)床能達(dá)到最大的切削深度和金屬切削量。緊接著還有更多的解釋?zhuān)同F(xiàn)在而言，它足以說(shuō)明問(wèn)題，但無(wú)法推斷這些來(lái)自于經(jīng)驗(yàn)的速度值。對(duì)于Robins公司來(lái)說(shuō)，也沒(méi)有切實(shí)可行方法，通過(guò)試切削來(lái)找到穩(wěn)定的參數(shù)，因?yàn)樵撥?chē)間經(jīng)常使用很多刀具。因此，該車(chē)間與一家外協(xié)合作單位簽訂了合同，它可以幫助該車(chē)間迅速地測(cè)量所有機(jī)床的振動(dòng)，然后根據(jù)機(jī)床日常使用的每一把刀具或刀柄的組合情況，確定其最佳的速度和切削深度。
刀具儀表板
編程員說(shuō)，現(xiàn)在的切削性能基本可以保持相同。尤其是車(chē)間的環(huán)境發(fā)生了很大變化，由于振顫減少，車(chē)間內(nèi)的加工環(huán)境非常安靜。而且，由于高速機(jī)床能夠以更高的速度進(jìn)行深度強(qiáng)力切削，而且不發(fā)生刀具斷裂現(xiàn)象，因此機(jī)床具有更高的生產(chǎn)效率。況且，現(xiàn)在又能夠提供有關(guān)最佳加工參數(shù)的信息，因此編程員本身的生產(chǎn)效率也進(jìn)一步提高?，F(xiàn)在提供給他們的其中一項(xiàng)資源就是“刀具儀表板”，它可以讓這些編程員精確地預(yù)測(cè)為某一特定銑削走刀所選定和設(shè)置的任何切削參數(shù)的特性和生產(chǎn)力。
現(xiàn)在，當(dāng)其中一臺(tái)高速加工中心所使用的刀具和刀柄選定之后，就可以根據(jù)它們的情況選擇其最佳參數(shù)。事實(shí)上，根據(jù)振動(dòng)分析所獲得的參數(shù)，將被自動(dòng)地輸入到Catia中。當(dāng)這些切削條件需要調(diào)整設(shè)置時(shí)，如切削深度可能不符合切削要求，有關(guān)參數(shù)可通過(guò)刀具儀表板進(jìn)行操控，以找出另一組有效的切削條件，以排除產(chǎn)生顫振的源頭。即使是進(jìn)給速度，也可以通過(guò)這種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，即根據(jù)主軸的彎曲力矩對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。
WarnerRobins公司與BlueSwarf公司簽訂了有關(guān)進(jìn)行“敲擊試驗(yàn)分析”和提供包括刀具儀表板在內(nèi)的合約。BlueSwarf公司是一家專(zhuān)門(mén)從事機(jī)床振動(dòng)分析試驗(yàn)的企業(yè)。該公司向一些加工車(chē)間銷(xiāo)售“Metalmax”分析儀，用于車(chē)間的內(nèi)部分析，但該公司也在現(xiàn)場(chǎng)為那些將分析工作承包給外協(xié)單位的加工車(chē)間進(jìn)行分析測(cè)量。實(shí)際測(cè)試只是簡(jiǎn)單地敲擊在加工中心中運(yùn)行的刀具，也就是說(shuō)用一把靈敏的錘子擊打刀具，然后通過(guò)刀尖上的傳感器捕捉反饋信息。由于不同組合的刀具和刀柄需要分別進(jìn)行測(cè)試，因此整個(gè)分析試驗(yàn)可能需花費(fèi)幾小時(shí)或幾天的時(shí)間。某些刀具的細(xì)節(jié)，如圓角半徑與測(cè)試結(jié)果之間沒(méi)有什么關(guān)系，因此不是每一把刀具的每一個(gè)實(shí)際數(shù)據(jù)都必須測(cè)試。盡管如此，WarnerRobins公司的加工車(chē)間仍然需要在每臺(tái)高速機(jī)床上測(cè)試45～50個(gè)刀具的設(shè)置值。
特定的速度
那么，加工中心為什么需要這么做呢？為什么加工中心在某一特定的速度或采用特定長(zhǎng)度的刀具能夠更好的工作呢？這個(gè)答案與一個(gè)事實(shí)有關(guān)：每一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)都帶有幾組固有的自然振動(dòng)頻率，加工中心、刀柄和刀具系統(tǒng)也不例外。該系統(tǒng)具有這些自然頻率，在其切削加工時(shí)，在一定程度上，它會(huì)按照這些頻率發(fā)生振動(dòng)。同時(shí)會(huì)在加工的表面上出現(xiàn)微波效應(yīng)。這些波動(dòng)可能會(huì)對(duì)加工走刀產(chǎn)生輕微的影響。而且，這也可能會(huì)影響反饋機(jī)構(gòu)，對(duì)切削加工造成損害。
增加切削的深度是可能的。敲擊試驗(yàn)的目的就是為了找到這些穩(wěn)定的速度
該機(jī)床在切削加工時(shí)碰到過(guò)這種表面波動(dòng)的情況。這種波動(dòng)會(huì)造成切削深度的變化，結(jié)果使刀具上的負(fù)荷也發(fā)生波動(dòng)。這種波動(dòng)往往是微不足道的，所以機(jī)床的反應(yīng)也很小。然而，在強(qiáng)力切削過(guò)程中，振動(dòng)的程度會(huì)變得更加明顯，實(shí)際上波動(dòng)本身也會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。刀具的偏轉(zhuǎn)會(huì)造成更大的波紋，這將會(huì)加大切削深度中的振動(dòng)程度。這種自激式振動(dòng)實(shí)際上就是所謂的“振顫”。刀具的使用壽命和零件的加工質(zhì)量都會(huì)受到影響，所發(fā)出的聲音更令人難以忍受。
在主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)約10000r/min的地方，設(shè)置了一個(gè)不同的可能性。處于較高的速度時(shí)，有可能使刀刃與工件接觸時(shí)的某一切削速度與該系統(tǒng)的自然頻率協(xié)調(diào)一致。
當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，機(jī)床仍然在振動(dòng)著，但刀尖基本上隨著波紋而運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，切削負(fù)荷是一致均衡的，切削非常順暢。對(duì)許多車(chē)間來(lái)說(shuō)，這種結(jié)果是一種令人十分奇怪的現(xiàn)象，某些比速很高的主軸速度，可以允許其比較高速度或較低速度時(shí)達(dá)到更高的切削深度。
刀具的神奇特性
刀具性能的區(qū)別，揭示了高速加工方面一個(gè)更為潛在的驚人事實(shí)。當(dāng)BlueSwarf公司對(duì)WarnerRobins公司最古老的高速加工中心進(jìn)行敲打試驗(yàn)時(shí)，它發(fā)現(xiàn)了圖7中所示的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，較短的刀具能夠更加穩(wěn)定地進(jìn)行銑削加工，但并非總是如此。在這一特定的機(jī)床上，當(dāng)使用兩把較長(zhǎng)的刀具時(shí)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)實(shí)際上能夠更加穩(wěn)定地進(jìn)行工作，并可達(dá)到較大的切削深度，其刀具的調(diào)試設(shè)置如圖7所示。在這一特定的機(jī)床上，刀具的靈活性越高，其金屬切削的速度也就越高。
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