數控機床切削穩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，為了提升整個數控系統的加工性能，需要注重對其加工中的切削穩定性進行分析。本文對數控系統的切削穩定性分析及實驗研究進行了整合，以模擬實現研究作為機床不同進給切削中的穩定性控制要素，對兩種型號的數控機床在切削穩定性上加以對比，進而研究數控機床在不同進給方向上存在的穩定性差別。以避免數控機床切削振顫、提高工藝參數的合理性。
關鍵詞：數控機床切削；穩定性；工藝參數
0 引言
數控機床切削顫振是數控機床銑削的過程中所出現的震動現象，該現象會使數控機床的生產效率極大的降低，并且導致所生產的零件出現質量下滑的情況，同時導致刀具的磨損程度急劇增加。所以，在數控機床生產加工過程中，切削顫振現象會對機床的生產效率和加工質量產生極大的影響，因此對數控機床切削穩定性進行研究對數控機床的生產效率與質量提升有著重要意義。
1 、數控機床切削穩定性域圖預測的重要性
數控機床切削穩定性域圖預測可有效避免數控機床在切削的中顫振，并且已經得了較為廣泛的利用，數控機床切削穩定性域圖預測方法，所參考的數值是通過研究刀具切削中的頻率變化函數來實現，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定域進行預測，從而實現銑刀的刀尖頻響函數和穩定域的測算。
2 、銑刀切削顫振的穩定域
本文在數控機床切削穩定性域圖預測的研究中，采用了兩臺三軸立銑床，結合模態的測試與切削進行試驗，通過對數控機床各角度范圍進行振顫穩定域圖預測，分析出數控機床在切削過程中的穩定性，通過對數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，將對應軌跡運行區域作為整個機床加工運行刀具切削穩定性控制區域，以此作為整個機床加工運行中的關鍵性要素控制。
數控機床的再生效應可以使銑削發生顫振，由于加工工藝系統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中零件的厚度產生變化，進而會使變化，如此循環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 分別代表為系統質量、阻尼和剛度矩陣；其中，T 為刀齒切削周期，h 0為靜態切削的厚度；準 為刀具和工件接觸的區域頻響函數矩陣，可以通過兩個相互正交方向進行模態測試獲取，一般情況下是數控機床的 X 與 Y 的方向，X（t）與 X（t-T）分別是現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；Kt為剛度矩陣的系數；撰g與 k 為該方程式的求解過程量。
3 、數控機床的銑削顫振穩定域的分析
3.1 試驗的準備
在數控機床銑削顫振穩定域的試驗中，采用三軸立銑床，如圖 1 所示，以此來分析數控機床切削的進給方向、主軸位置對銑削顫振穩定域的影響。
通過該試驗可以得到刀尖頻現函數，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定域圖現將該機床的 X 的正反向設置為 0°，并以 30°為一個間隔，在設置結束后，要對刀尖進行測試，按照一個方向對其測試頻響函數的數值，可以選擇 12 個正數角度。
當穩定區域在 2830Hz、3571Hz、4535Hz 的頻率的時候會出現比較明顯的模態，并且在不同的進給方向下各個頻響函數的數值的變化較大。以 3571Hz 的模態為案例，在 270°的方向下頻響函數的幅度值為最小，為 791.9m/s2/N；300°方向的情況下，頻響函數的幅度值為最大，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定域控制。由于數控機床是不對稱的，數控車床的穩定切深會隨著進給方向的變化而產生變化，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定域圖通過改變數控機床 Z 的方向，分析主軸位置對切削顫振穩定域圖的影響。
以 Z=-250mm、中間值 Z=0mm 和最高值 Z=250mm 三個位置為例。根據軸位置在最低位置時的穩定切深是 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定切深是 1.60mm，并且是 0°方向[3]。
從數控機床的角度出發，如果主軸的位置在高處，懸伸就越小，剛性就會越高，這樣，穩定切削區的區域就會越來越大。并且與穩定域圖中的 300°處于對稱的狀態。
3.4 同類型數控機床顫振穩定域圖對比
在同類型的數控機床中，試驗選定第二臺數控機床，并且使用第二臺數控機床進行顫振穩定域圖的預測，其對應的測試數據處理，是建立在第一次測量數據基礎之上的，以其數據作為整個測量中的關鍵性對比要素，衡量數據對比關系中的切削位置變化。根據第二臺機床所對應的z =-250mm、0mm、Z =250mm 所得出的穩定切深分別 為0.86mm、0.92mm、1.64mm。
由此可見，雖然兩臺數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，會導致兩臺數控機床在切削的性能上會出現一定的差異。以0°方向的頻現函數為例子，兩臺數控機床在各個數值上均會出現不同情況，因此在這種背景下，為了提升整體的機床加工穩定性，需要在機床加工過程中，對整個機床加工中的穩定區域分析對比，保障在穩定區域分析對比過程中，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的數值相同。測試結果表示，顫振的穩定域圖會不斷的加深切深，一直到出現顫振情況為止，并且會使進給方向發生改變。當 D=12mm，n=4000r·min，F=300mm/min，ae=12mm 時其對應數據切削中采集到的切削穩定值振動發出的聲音。由于該模式下的頻率比較高，所以結合模態分析結果可以認定模態是來源于刀具的本身。所以刀具結構如果較為對稱，那么能夠發現在不同的進給方向模態的幅度值比較接近。
5 、結論
綜上所述，在數控機床加工技術應用中，為了保障其切削穩定性，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據進行穩定性分析，在數據穩定性分析過程中，能夠將對應機床加工運行的穩定區域明確，這樣才能使整個機床加工技術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定區域進行分析，其對應的分析結果顯示，當 Z=-250mm、中間值 Z=0mm 和最高值 Z=250mm 時，整個數控機床加工中的切削穩定性是最強的，因此，應該注重對該范圍內的切削參數設置，保障其整體參數設置處理應用到現實加工生產中，能夠為數控機床加工效率提升奠定基礎，轉變其原有的機床加工運行效能，實現機床加工的科學性控制。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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