數(shù)控機床切削穩(wěn)定性分析及實驗研究
2020-7-14 來源： 陜西法士特集團公司 作者：盧剛
摘要：由于數(shù)控機床的切削過程有著極高的復雜性，以及零件加工軌跡的不確定性，使得其整個加工過程具有較為明顯的繁瑣性，為了提升整個數(shù)控系統(tǒng)的加工性能，需要注重對其加工中的切削穩(wěn)定性進行分析。本文對數(shù)控系統(tǒng)的切削穩(wěn)定性分析及實驗研究進行了整合，以模擬實現(xiàn)研究作為機床不同進給切削中的穩(wěn)定性控制要素，對兩種型號的數(shù)控機床在切削穩(wěn)定性上加以對比，進而研究數(shù)控機床在不同進給方向上存在的穩(wěn)定性差別。以避免數(shù)控機床切削振顫、提高工藝參數(shù)的合理性。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機床切削；穩(wěn)定性；工藝參數(shù)
0 引言
數(shù)控機床切削顫振是數(shù)控機床銑削的過程中所出現(xiàn)的震動現(xiàn)象，該現(xiàn)象會使數(shù)控機床的生產(chǎn)效率極大的降低，并且導致所生產(chǎn)的零件出現(xiàn)質(zhì)量下滑的情況，同時導致刀具的磨損程度急劇增加。所以，在數(shù)控機床生產(chǎn)加工過程中，切削顫振現(xiàn)象會對機床的生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響，因此對數(shù)控機床切削穩(wěn)定性進行研究對數(shù)控機床的生產(chǎn)效率與質(zhì)量提升有著重要意義。
1 、數(shù)控機床切削穩(wěn)定性域圖預測的重要性
數(shù)控機床切削穩(wěn)定性域圖預測可有效避免數(shù)控機床在切削的中顫振，并且已經(jīng)得了較為廣泛的利用，數(shù)控機床切削穩(wěn)定性域圖預測方法，所參考的數(shù)值是通過研究刀具切削中的頻率變化函數(shù)來實現(xiàn)，由于該方法使用較為簡單，因此獲得較為廣泛的應用。
此方法可以對銑刀的顫振穩(wěn)定域進行預測，從而實現(xiàn)銑刀的刀尖頻響函數(shù)和穩(wěn)定域的測算。
2 、銑刀切削顫振的穩(wěn)定域
本文在數(shù)控機床切削穩(wěn)定性域圖預測的研究中，采用了兩臺三軸立銑床，結(jié)合模態(tài)的測試與切削進行試驗，通過對數(shù)控機床各角度范圍進行振顫穩(wěn)定域圖預測，分析出數(shù)控機床在切削過程中的穩(wěn)定性，通過對數(shù)控機床加工中主軸進給方向控制，確定其主軸運動中的軌跡，將對應軌跡運行區(qū)域作為整個機床加工運行刀具切削穩(wěn)定性控制區(qū)域，以此作為整個機床加工運行中的關(guān)鍵性要素控制。
數(shù)控機床的再生效應可以使銑削發(fā)生顫振，由于加工工藝系統(tǒng)的容忍性在切削力的作用下可以使零件的表面留下顫振痕跡，這會導致下一組生產(chǎn)中零件的厚度產(chǎn)生變化，進而會使變化，如此循環(huán)下去會使震動更加強烈。
再生顫振效應表達式為：MX+CS+KX=準-1[h0+X（t-T）-X（t）]，暫時設置公式為公式（1）。公式（1）中的：M、C、K 分別代表為系統(tǒng)質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣；其中，T 為刀齒切削周期，h 0為靜態(tài)切削的厚度；準 為刀具和工件接觸的區(qū)域頻響函數(shù)矩陣，可以通過兩個相互正交方向進行模態(tài)測試獲取，一般情況下是數(shù)控機床的 X 與 Y 的方向，X（t）與 X（t-T）分別是現(xiàn)在與上一刀齒削周期刀具的位移和振動[1]。因此可以得出顫振穩(wěn)定域臨界切計算式 ：
暫時設該公式為公式（2）。在該公式中 N 為刀齒數(shù)；Kt為剛度矩陣的系數(shù)；撰g與 k 為該方程式的求解過程量。
3 、數(shù)控機床的銑削顫振穩(wěn)定域的分析
3.1 試驗的準備
在數(shù)控機床銑削顫振穩(wěn)定域的試驗中，采用三軸立銑床，如圖 1 所示，以此來分析數(shù)控機床切削的進給方向、主軸位置對銑削顫振穩(wěn)定域的影響。
通過該試驗可以得到刀尖頻現(xiàn)函數(shù)，用加速度和力錘來采集卡型號，可以得到卡型號為 PCB086C03、Kistler8776A50、NI9233。在此項試驗中所使用的模態(tài)測試軟件是 Cutpro V9.3[2]。在本次實驗的過程中，將圓柱螺旋立銑刀定為測試刀具，該刀具的直徑為 D=12mm，齒數(shù)為 N=4，刀片的螺旋角度是 30°，刀具的懸長為 52mm。3.2 基于進給方向的銑削顫振穩(wěn)定域圖現(xiàn)將該機床的 X 的正反向設置為 0°，并以 30°為一個間隔，在設置結(jié)束后，要對刀尖進行測試，按照一個方向?qū)ζ錅y試頻響函數(shù)的數(shù)值，可以選擇 12 個正數(shù)角度。
當穩(wěn)定區(qū)域在 2830Hz、3571Hz、4535Hz 的頻率的時候會出現(xiàn)比較明顯的模態(tài)，并且在不同的進給方向下各個頻響函數(shù)的數(shù)值的變化較大。以 3571Hz 的模態(tài)為案例，在 270°的方向下頻響函數(shù)的幅度值為最小，為 791.9m/s2/N；300°方向的情況下，頻響函數(shù)的幅度值為最大，為 1028m/s2/N。
該實驗以鋁合金 2A12 的銑槽為例，主軸的位置 Z=-250mm 時沿著不同角度的進給方向進行顫振穩(wěn)定域控制。由于數(shù)控機床是不對稱的，數(shù)控車床的穩(wěn)定切深會隨著進給方向的變化而產(chǎn)生變化，如果沿著 60°的方向，其最小值會是 0.92mm；如果按照 300°的進給方向，最大值會是 1.02mm。3.3 基于主軸位置的銑削顫振穩(wěn)定域圖通過改變數(shù)控機床 Z 的方向，分析主軸位置對切削顫振穩(wěn)定域圖的影響。
以 Z=-250mm、中間值 Z=0mm 和最高值 Z=250mm 三個位置為例。根據(jù)軸位置在最低位置時的穩(wěn)定切深是 1.02mm，并且是在 360°的方向上時；當主軸位置在中間位置時穩(wěn)定切深是 1.12mm，并且是在 120°的情況下；在主軸的位置在最高穩(wěn)定切深是 1.60mm，并且是 0°方向[3]。
從數(shù)控機床的角度出發(fā)，如果主軸的位置在高處，懸伸就越小，剛性就會越高，這樣，穩(wěn)定切削區(qū)的區(qū)域就會越來越大。并且與穩(wěn)定域圖中的 300°處于對稱的狀態(tài)。
3.4 同類型數(shù)控機床顫振穩(wěn)定域圖對比
在同類型的數(shù)控機床中，試驗選定第二臺數(shù)控機床，并且使用第二臺數(shù)控機床進行顫振穩(wěn)定域圖的預測，其對應的測試數(shù)據(jù)處理，是建立在第一次測量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上的，以其數(shù)據(jù)作為整個測量中的關(guān)鍵性對比要素，衡量數(shù)據(jù)對比關(guān)系中的切削位置變化。根據(jù)第二臺機床所對應的z =-250mm、0mm、Z =250mm 所得出的穩(wěn)定切深分別 為0.86mm、0.92mm、1.64mm。
由此可見，雖然兩臺數(shù)控機床在型號上是相同的，但是有設計、裝配與使用方法的不同，會導致兩臺數(shù)控機床在切削的性能上會出現(xiàn)一定的差異。以0°方向的頻現(xiàn)函數(shù)為例子，兩臺數(shù)控機床在各個數(shù)值上均會出現(xiàn)不同情況，因此在這種背景下，為了提升整體的機床加工穩(wěn)定性，需要在機床加工過程中，對整個機床加工中的穩(wěn)定區(qū)域分析對比，保障在穩(wěn)定區(qū)域分析對比過程中，能夠為整個加工精準性控制提供保障。
4 、數(shù)控機床的切削實驗
在試驗中表明，1 號機床在進行切削實驗的過程中，刀具和其他工藝參數(shù)的數(shù)值相同。測試結(jié)果表示，顫振的穩(wěn)定域圖會不斷的加深切深，一直到出現(xiàn)顫振情況為止，并且會使進給方向發(fā)生改變。當 D=12mm，n=4000r·min，F(xiàn)=300mm/min，ae=12mm 時其對應數(shù)據(jù)切削中采集到的切削穩(wěn)定值振動發(fā)出的聲音。由于該模式下的頻率比較高，所以結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果可以認定模態(tài)是來源于刀具的本身。所以刀具結(jié)構(gòu)如果較為對稱，那么能夠發(fā)現(xiàn)在不同的進給方向模態(tài)的幅度值比較接近。
5 、結(jié)論
綜上所述，在數(shù)控機床加工技術(shù)應用中，為了保障其切削穩(wěn)定性，應該按照整個加工中的機床運行需求，對整體機床加工運行中的數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定性分析，在數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析過程中，能夠?qū)獧C床加工運行的穩(wěn)定區(qū)域明確，這樣才能使整個機床加工技術(shù)應用的科學性能力得到提升。
通過本文的研究和分析，將借助不同的實驗對比條件，將整個機床加工中的切削穩(wěn)定區(qū)域進行分析，其對應的分析結(jié)果顯示，當 Z=-250mm、中間值 Z=0mm 和最高值 Z=250mm 時，整個數(shù)控機床加工中的切削穩(wěn)定性是最強的，因此，應該注重對該范圍內(nèi)的切削參數(shù)設置，保障其整體參數(shù)設置處理應用到現(xiàn)實加工生產(chǎn)中，能夠為數(shù)控機床加工效率提升奠定基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)變其原有的機床加工運行效能，實現(xiàn)機床加工的科學性控制。
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