振動(dòng)分析是檢測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。如果沒有在高速機(jī)床上進(jìn)行過這種分析，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，面對這一情況，他們就會(huì)減少某些參數(shù)。也就是說，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)。

機(jī)床的參數(shù)如何進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)

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間，就因此而白白浪費(fèi)了他們的實(shí)際生產(chǎn)能力，終無法達(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，只憑直覺或經(jīng)驗(yàn)是無法確定的，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)加工車間對此十分了解，這個(gè)車間就是位于喬治亞州的WarnerRobins空軍基地的一個(gè)分部。

　　業(yè)中的銑削加工

這個(gè)能夠進(jìn)行快速反應(yīng)的車間是空軍第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，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，初當(dāng)這一加工車間開始使用高速加工中心時(shí)，他們對此一無所知，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。從這一車間的反應(yīng)情況來看，只能是放慢某些加工項(xiàng)目的切削速度。

但是，當(dāng)該車間從Makino公司引進(jìn)和安裝其高達(dá)30000r/min的MAG3型高速加工中心時(shí)，他們對該機(jī)床進(jìn)行了“敲擊試驗(yàn)”。也就是說，該車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，該車間發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其以相當(dāng)高的速度運(yùn)行并超過該車間以前所一直運(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。開機(jī)后，使其速度與這些佳參數(shù)一致，車間立即開始更安靜地工作運(yùn)行，切削量增大，零件的加工質(zhì)量提高，而且刀具沒有出現(xiàn)被折斷的現(xiàn)象。

現(xiàn)在，該車間開始采用從振動(dòng)分析中獲得的參數(shù)來運(yùn)行高速機(jī)床。當(dāng)超過一定的速度時(shí)，該車間認(rèn)識(shí)到，這種分析實(shí)際上對機(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)到大的切削深度和金屬切削量。緊接著還有更多的解釋，但就現(xiàn)在而言，它足以說明問題，但無法推斷這些來自于經(jīng)驗(yàn)的速度值。對于Robins公司來說，也沒有切實(shí)可行方法，通過試切削來找到穩(wěn)定的參數(shù)，因?yàn)樵撥囬g經(jīng)常使用很多刀具。因此，該車間與一家外協(xié)合作單位簽訂了合同，它可以幫助該車間迅速地測量所有機(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，確定其佳的速度和切削深度。

　　刀具儀表板

編程員說，現(xiàn)在的切削性能基本可以保持相同。尤其是車間的環(huán)境發(fā)生了很大變化，由于振顫減少，車間內(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)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地預(yù)測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，也可以通過這種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，即根據(jù)主軸的彎曲力矩對其進(jìn)行測試。

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公司是一家專門從事機(jī)床振動(dòng)分析試驗(yàn)的企業(yè)。該公司向一些加工車間銷售“Metalmax”分析儀，用于車間的內(nèi)部分析，但該公司也在現(xiàn)場為那些將分析工作承包給外協(xié)單位的加工車間進(jìn)行分析測量。實(shí)際測試只是簡單地敲擊在加工中心中運(yùn)行的刀具，也就是說用一把靈敏的錘子擊打刀具，然后通過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)，如圓角半徑與測試結(jié)果之間沒有什么關(guān)系，因此不是每一把刀具的每一個(gè)實(shí)際數(shù)據(jù)都必須測試。盡管如此，WarnerRobins公司的加工車間仍然需要在每臺(tái)高速機(jī)床上測試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。對許多車間來說，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WarnerRobins公司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。一般來說，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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