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(méi)有在高速機床上進(jìn)行過(guò)這種分析，那么機床制造廠(chǎng)商也許就不會(huì )知道機床究竟能做些什么？

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)驗的機械師和NC編程員都會(huì )有所反應。這是由于其所選用的切削參數不夠理想造成的，面對這一情況，他們就會(huì )減少某些參數。也就是說(shuō)，他們將會(huì )調低某些工藝參數。

他們所降低的某些特定參數可能是切削深度，也可能是速度和進(jìn)給率的組合參數，甚至是刀具的懸臂長(cháng)度。不管是什么參數，“下調”是獲得較好加工性能的一個(gè)靈活策略。經(jīng)驗較為豐富的加工人員，在調節這些參數方面是非常熟練的，他們能夠將這些參數降低到必要的程度，以使其達到可接受的切削水平。在大多數加工車(chē)間中，采用這種降低加工參數的方法——這種折衷方案——被看作是操作人員的一種正確反應。

機床的參數如何進(jìn)行準確的調節

然而，在高速加工中，采用這種降低加工參數的方法并不是正確的應對措施。事實(shí)上，人們甚至發(fā)現這一做法是與高速加工的本質(zhì)背道而馳的。

參數本身是十分重要的，如切削深度、主軸轉速和刀具長(cháng)度都會(huì )影響到加工的性能。然而，當一臺高速加工的機床發(fā)出的振顫聲，并反映出機床的加工性能表現不佳時(shí)，“下調”參數可能會(huì )適得其反。有許多采用高速加工中心的車(chē)間，就因此而白白浪費了他們的實(shí)際生產(chǎn)能力，終無(wú)法達到生產(chǎn)目標。

在高速加工應用領(lǐng)域中，為了達到更加穩定的切削加工，很多廠(chǎng)家也許仍然需要采用參數“下調”的方式，但有一種更加有效的方法，即采用參數“上調”的方式。如果同時(shí)涉及到主軸轉速和刀具長(cháng)度這兩個(gè)參數，那么應付振顫的更好答案將是提高其中的某一個(gè)參數。雖然這看起來(lái)有些奇怪，但實(shí)際經(jīng)驗表明，較高的主軸轉速和較低剛性的刀具，或者只占其一，都可允許機床處理更具侵略性的切削深度，因為這些變化使系統的振動(dòng)傾向更為和諧。凡是認識到這一點(diǎn)的加工車(chē)間，都能理解高速加工的真正實(shí)質(zhì)，就是在主軸轉速范圍內工作，只憑直覺(jué)或經(jīng)驗是無(wú)法確定的，不同的情況下都有不同的理想切削條件?，F在有一個(gè)機加工車(chē)間對此十分了解，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。

　　業(yè)中的銑削加工

這個(gè)能夠進(jìn)行快速反應的車(chē)間是空軍第402維護大隊中第573產(chǎn)品維修中隊的一個(gè)分部。該加工車(chē)間的任務(wù)包括戰斗機和運輸機更換備件的加工，凡是飛往這個(gè)基地的所有飛機的替換件，都由其負責加工。這里的維修非常頻繁，因為這些飛機需要快速地返回行動(dòng)狀態(tài)，因此該車(chē)間往往需要根據有限的交貨時(shí)間要求，小批量生產(chǎn)一些復雜和關(guān)鍵的零部件。

編程員DavidDevore先生和MikeEstes先生說(shuō)，初當這一加工車(chē)間開(kāi)始使用高速加工中心時(shí)，他們對此一無(wú)所知，所以當時(shí)該機床的使用效率非常低下。在使用這些機床進(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)間的反應情況來(lái)看，只能是放慢某些加工項目的切削速度。

但是，當該車(chē)間從Makino公司引進(jìn)和安裝其高達30000r/min的MAG3型高速加工中心時(shí)，他們對該機床進(jìn)行了“敲擊試驗”。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，以測試機床的振動(dòng)特性。

采用“敲擊試驗”可以找到使金屬切削速度達到高的主軸轉速和切削深度

采用這種分析方法的目的是為了找出特定機床上使用的每一把刀具或刀柄在調試后的穩定切割速度。在Robins公司，一旦找到了這些穩定的參數，他們就將其使用于新的機床上，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，且全部指標都超過(guò)了其高速銑削加工時(shí)所達到的水平。由于差距是如此之大，因此該車(chē)間決定在其現有的高速機床上也進(jìn)行同樣的分析試驗。在這些機床上，該車(chē)間發(fā)現，當其以相當高的速度運行并超過(guò)該車(chē)間以前所一直運行的速度時(shí)，許多刀具的工作更加穩定，更富有成效并更加安全。開(kāi)機后，使其速度與這些佳參數一致，車(chē)間立即開(kāi)始更安靜地工作運行，切削量增大，零件的加工質(zhì)量提高，而且刀具沒(méi)有出現被折斷的現象。

現在，該車(chē)間開(kāi)始采用從振動(dòng)分析中獲得的參數來(lái)運行高速機床。當超過(guò)一定的速度時(shí)，該車(chē)間認識到，這種分析實(shí)際上對機床實(shí)現全面的效益至關(guān)重要。

這其中的原因與共振頻率有關(guān)。機床、刀柄和刀具的每一種特殊組合，都有特定的穩定速度值，從而允許機床能達到大的切削深度和金屬切削量。緊接著(zhù)還有更多的解釋?zhuān)同F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)驗的速度值。對于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)找到穩定的參數，因為該車(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)間迅速地測量所有機床的振動(dòng)，然后根據機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(shuō)，現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)間內的加工環(huán)境非常安靜。而且，由于高速機床能夠以更高的速度進(jìn)行深度強力切削，而且不發(fā)生刀具斷裂現象，因此機床具有更高的生產(chǎn)效率。況且，現在又能夠提供有關(guān)佳加工參數的信息，因此編程員本身的生產(chǎn)效率也進(jìn)一步提高?，F在提供給他們的其中一項資源就是“刀具儀表板”，它可以讓這些編程員地預測為某一特定銑削走刀所選定和設置的任何切削參數的特性和生產(chǎn)力。

現在，當其中一臺高速加工中心所使用的刀具和刀柄選定之后，就可以根據它們的情況選擇其佳參數。事實(shí)上，根據振動(dòng)分析所獲得的參數，將被自動(dòng)地輸入到Catia中。當這些切削條件需要調整設置時(shí)，如切削深度可能不符合切削要求，有關(guān)參數可通過(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)行調節，即根據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“敲擊試驗分析”和提供包括刀具儀表板在內的合約。BlueSwarf公司是一家專(zhuān)門(mén)從事機床振動(dòng)分析試驗的企業(yè)。該公司向一些加工車(chē)間銷(xiāo)售“Metalmax”分析儀，用于車(chē)間的內部分析，但該公司也在現場(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)行分析測量。實(shí)際測試只是簡(jiǎn)單地敲擊在加工中心中運行的刀具，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)行測試，因此整個(gè)分析試驗可能需花費幾小時(shí)或幾天的時(shí)間。某些刀具的細節，如圓角半徑與測試結果之間沒(méi)有什么關(guān)系，因此不是每一把刀具的每一個(gè)實(shí)際數據都必須測試。盡管如此，WarnerRobins公司的加工車(chē)間仍然需要在每臺高速機床上測試45～50個(gè)刀具的設置值。

　　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(cháng)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)機械系統都帶有幾組固有的自然振動(dòng)頻率，加工中心、刀柄和刀具系統也不例外。該系統具有這些自然頻率，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微波效應。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 )影響反饋機構，對切削加工造成損害。

增加切削的深度是可能的。敲擊試驗的目的就是為了找到這些穩定的速度

該機床在切削加工時(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，結果使刀具上的負荷也發(fā)生波動(dòng)。這種波動(dòng)往往是微不足道的，所以機床的反應也很小。然而，在強力切削過(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)生驅動(dòng)力。刀具的偏轉會(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。

在主軸轉速超過(guò)約10000r/min的地方，設置了一個(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的自然頻率協(xié)調一致。

當這種情況發(fā)生時(shí)，機床仍然在振動(dòng)著(zhù)，但刀尖基本上隨著(zhù)波紋而運動(dòng)。此時(shí)，切削負荷是一致均衡的，切削非常順暢。對許多車(chē)間來(lái)說(shuō)，這種結果是一種令人十分奇怪的現象，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)達到更高的切削深度。

　　刀具的神奇特性

刀具性能的區別，揭示了高速加工方面一個(gè)更為潛在的驚人事實(shí)。當BlueSwarf公司對WarnerRobins公司古老的高速加工中心進(jìn)行敲打試驗時(shí)，它發(fā)現了圖7中所示的現象。一般來(lái)說(shuō)，較短的刀具能夠更加穩定地進(jìn)行銑削加工，但并非總是如此。在這一特定的機床上，當使用兩把較長(cháng)的刀具時(shí)，發(fā)現該系統實(shí)際上能夠更加穩定地進(jìn)行工作，并可達到較大的切削深度，其刀具的調試設置如圖7所示。在這一特定的機床上，刀具的靈活性越高，其金屬切削的速度也就越高。

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