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高速机床振动分析 准确调节参数

2013年10月24日 15:40中国机床商务网点击:5130

  【中国机床商务网】导读:振动分析是检测加工中心性能的非常重要的一个方面,但也是目前缺失的一个方面。如果没有在高速机床上进行过这种分析,那么机床制造厂商也许就不会知道机床究竟能做些什么。
  
  在进行铣削加工中,因走刀情况不好而发出刺耳的难听的声音时,富有经验的机械师和NC编程员都会有所反应。这是由于其所选用的切削参数不够理想造成的,面对这一情况,他们就会减少某些参数。也就是说,他们将会调低某些工艺参数。
  
  他们所降低的某些特定参数可能是切削深度,也可能是速度和进给率的组合参数,甚至是刀具的悬臂长度。不管是什么参数,“下调”是获得较好加工性能的一个灵活策略。经验较为丰富的加工人员,在调节这些参数方面是非常熟练的,他们能够将这些参数降低到必要的程度,以使其达到可接受的切削水平。在大多数加工车间中,采用这种降低加工参数的方法——这种折衷方案——被看作是操作人员的一种正确反应。
  
  然而,在高速加工中,采用这种降低加工参数的方法并不是正确的应对措施。事实上,人们甚至发现这一做法是与高速加工的本质背道而驰的。
  
  参数本身是十分重要的,如切削深度、主轴转速和刀具长度都会影响到加工的性能。然而,当一台高速加工的机床发出的振颤声,并反映出机床的加工性能表现不佳时,“下调”参数可能会适得其反。有许多采用高速加工中心的车间,就因此而白白浪费了他们的实际生产能力,最终无法达到生产目标。
  
  在高速加工应用领域中,为了达到更加稳定的切削加工,很多厂家也许仍然需要采用参数“下调”的方式,但有一种更加有效的方法,即采用参数“上调”的方式。如果同时涉及到主轴转速和刀具长度这两个参数,那么应付振颤的更好答案将是提高其中的某一个参数。虽然这看起来有些奇怪,但实际经验表明,较高的主轴转速和较低刚性的刀具,或者只占其一,都可允许机床处理更具侵略性的切削深度,因为这些变化使系统的振动倾向更为和谐。凡是认识到这一点的加工车间,都能理解高速加工的真正实质,就是在主轴转速范围内工作,只凭直觉或经验是无法确定的,不同的情况下都有不同的理想切削条件。现在有一个机加工车间对此十分了解,这个车间就是位于乔治亚州的WarnerRobins空军基地的一个分部。
  
  军工业中的铣削加工
  
  这个能够进行快速反应的车间是空军第402维护大队中第573产品维修中队的一个分部。该加工车间的任务包括战斗机和运输机更换备件的加工,全世界凡是飞往这个基地的所有飞机的替换件,都由其负责加工。这里的维修非常频繁,因为这些飞机需要快速地返回行动状态,因此该车间往往需要根据有限的交货时间要求,小批量生产一些复杂和关键的零部件。
  
  编程员DavidDevore先生和MikeEstes先生说,最初当这一加工车间开始使用高速加工中心时,他们对此一无所知,所以当时该机床的使用效率非常低下。在使用这些机床进行加工时,刀具经常被折断,其中包括3/4in(1in=25.4mm)的端面铣刀。从这一车间的反应情况来看,只能是放慢某些加工项目的切削速度。
  
  WarnerRobins公司的加工车间,在购置其最高转速的高速机床后,开始调研采用共振频率的铣削加工情况
  
  但是,当该车间从Makino公司引进和安装其最高达30000r/min的MAG3型高速加工中心时,他们对该机床进行了“敲击试验”。也就是说,该车间采用一把灵敏的锤子,像打钟那样击打主轴中安装的刀具,以测试机床的振动特性。
  
  对于一种特定组合的加工中心、刀柄和铣刀,采用“敲击试验”可以找到使金属切削速度达到最高的主轴转速和切削深度采用这种分析方法的目的是为了找出特定机床上使用的每一把刀具或刀柄在调试后的稳定切割速度。在Robins公司,一旦找到了这些稳定的参数,他们就将其使用于新的机床上,从而提高了该车间零件的加工质量、生产率和刀具使用寿命,且全部指标都超过了其高速铣削加工时所达到的水平。由于差距是如此之大,因此该车间决定在其现有的高速机床上也进行同样的分析试验。在这些机床上,该车间发现,当其以相当高的速度运行并超过该车间以前所一直运行的速度时,许多刀具的工作更加稳定,更富有成效并更加安全。开机后,使其速度与这些最佳参数一致,车间立即开始更安静地工作运行,切削量增大,零件的加工质量提高,而且刀具没有出现被折断的现象。
  
  WarnerRobinsAirForceBase空军基地是为货运飞机和战斗机提供服务的。
  
  该机加工车间支持这一使命的执行
  
  现在,该车间开始采用从振动分析中获得的参数来运行高速机床。当超过一定的速度时,该车间认识到,这种分析实际上对机床实现全面的效益至关重要。
  
  这其中的原因与共振频率有关。机床、刀柄和刀具的每一种特殊组合,都有特定的稳定速度值,从而允许机床能达到最大的切削深度和金属切削量。紧接着还有更多的解释,但就现在而言,它足以说明问题,但无法推断这些来自于经验的速度值。对于Robins公司来说,也没有切实可行方法,通过试切削来找到稳定的参数,因为该车间经常使用很多刀具。因此,该车间与一家外协合作单位签订了合同,它可以帮助该车间迅速地测量所有机床的振动,然后根据机床日常使用的每一把刀具或刀柄的组合情况,确定其最佳的速度和切削深度。
  
  刀具仪表板
  
  编程员说,现在的切削性能基本可以保持相同。尤其是车间的环境发生了很大变化,由于振颤减少,车间内的加工环境非常安静。而且,由于高速机床能够以更高的速度进行深度强力切削,而且不发生刀具断裂现象,因此机床具有更高的生产效率。况且,现在又能够提供有关最佳加工参数的信息,因此编程员本身的生产效率也进一步提高。现在提供给他们的其中一项资源就是“刀具仪表板”,它可以让这些编程员精确地预测为某一特定铣削走刀所选定和设置的任何切削参数的特性和生产力。
  
  从这里可以看到技术人员正在将一个新加工的部件安装到飞机的机翼上现在,当其中一台高速加工中心所使用的刀具和刀柄选定之后,就可以根据它们的情况选择其最佳参数。事实上,根据振动分析所获得的参数,将被自动地输入到Catia中。当这些切削条件需要调整设置时,如切削深度可能不符合切削要求,有关参数可通过刀具仪表板进行操控,以找出另一组有效的切削条件,以排除产生颤振的源头。即使是进给速度,也可以通过这种方式进行调节,即根据主轴的弯曲力矩对其进行测试。
  
  在刀具仪表板的“转速”表上,绿色区域代表这一特定刀具的稳定切削区域。
  
  该刀具仪表板可使编程员很容易地操控速度、切削深度和切削负荷,并可根据机床的动态变化情况,预测这些变化的影响
  
  WarnerRobins公司与BlueSwarf公司签订了有关进行“敲击试验分析”和提供包括刀具仪表板在内的合约。BlueSwarf公司是一家专门从事机床振动分析试验的企业。该公司向一些加工车间销售“Metalmax”分析仪,用于车间的内部分析,但该公司也在现场为那些将分析工作承包给外协单位的加工车间进行分析测量。实际测试只是简单地敲击在加工中心中运行的刀具,也就是说用一把灵敏的锤子击打刀具,然后通过刀尖上的传感器捕捉反馈信息。由于不同组合的刀具和刀柄需要分别进行测试,因此整个分析试验可能需花费几小时或几天的时间。某些刀具的细节,如圆角半径与测试结果之间没有什么关系,因此不是每一把刀具的每一个实际数据都必须测试。尽管如此,WarnerRobins公司的加工车间仍然需要在每台高速机床上测试45~50个刀具的设置值。
  
  特定的速度
  
  那么,加工中心为什么需要这么做呢?为什么加工中心在某一特定的速度或采用特定长度的刀具能够更好的工作呢?这个答案与一个事实有关:每一个机械系统都带有几组固有的自然振动频率,加工中心、刀柄和刀具系统也不例外。该系统具有这些自然频率,在其切削加工时,在一定程度上,它会按照这些频率发生振动。同时会在加工的表面上出现微波效应。这些波动可能会对加工走刀产生轻微的影响。而且,这也可能会影响反馈机构,对切削加工造成损害。
  
  这个稳定性图例表明,在整个速度范围内,在特定狭窄的主轴转速带范围内,增加切削的深度是可能的。敲击试验的目的就是为了找到这些稳定的速度该机床在切削加工时碰到过这种表面波动的情况。这种波动会造成切削深度的变化,结果使刀具上的负荷也发生波动。这种波动往往是微不足道的,所以机床的反应也很小。然而,在强力切削过程中,振动的程度会变得更加明显,实际上波动本身也会产生驱动力。刀具的偏转会造成更大的波纹,这将会加大切削深度中的振动程度。这种自激式振动实际上就是所谓的“振颤”。刀具的使用寿命和零件的加工质量都会受到影响,所发出的声音更令人难以忍受。
  
  在主轴转速超过约10000r/min的地方,设置了一个不同的可能性。处于较高的速度时,有可能使刀刃与工件接触时的某一切削速度与该系统的自然频率协调一致。
  
  当这种情况发生时,机床仍然在振动着,但刀尖基本上随着波纹而运动。此时,切削负荷是一致均衡的,切削非常顺畅。对许多车间来说,这种结果是一种令人十分奇怪的现象,某些比速很高的主轴速度,可以允许其比较高速度或较低速度时达到更高的切削深度。
  
  就可说明这一问题。从这里看到的整个主轴转速范围内,峰值表示这一特定的机床和刀具设置所能够达到的更高生产切削效率。带有交叉阴影线的区域表示发生颤振的地方。因此,当转速为17792r/min时,进行特大切削深度的稳定切削加工是可能的,如果机床的运行速度略高于或略低于这一数值,那么即使没有达到同样水平的强力铣削也是可能的。实际上,凡是不了解这一神奇速度的加工车间,就不会知道其加工中心究竟能做些什么事情。
  
  在上述照片中,计算机显示了两把刀具的试验情况,该试验最初是在Robins公司的车间内进行的,仅仅在经过几分钟试验以后,就可以看出两把刀具的不同性能。红色的峰值表示采用较短刀具所可能达到的切削深度,而其背后的蓝色峰值则表示采用较长刀具所允许达到的较大切削深度事实上,加工车间可能也不知道其刀具究竟可以做些什么事情。
  
  刀具的神奇特性
  
  刀具性能的区别,揭示了高速加工方面一个更为潜在的惊人事实。当BlueSwarf公司对WarnerRobins公司最古老的高速加工中心进行敲打试验时,它发现了中所示的现象。一般来说,较短的刀具能够更加稳定地进行铣削加工,但并非总是如此。在这一特定的机床上,当使用两把较长的刀具时,发现该系统实际上能够更加稳定地进行工作,并可达到较大的切削深度,其刀具的调试设置如所示。在这一特定的机床上,刀具的灵活性越高,其金属切削的速度也就越高。
  
  这家车间已使用该机床多年,该机床的工作性能良好,当然有关的信息提供了很大帮助。多年来,该机床的工作表现一直都比较好。机床的运行如果没有这些宝贵的信息,就不可能达到这样事半功倍的目的,或者说,机床运行中潜在的产量和质量都将会有所下降。
(来源:中国机床商务网整理)

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