數控銑床加工穩定性影響因素分析

陳艷麗，吳冬霞，李永強，芮守鳳

（蘭州理工大學技術工程學院，甘肅 蘭州 730200）

數控銑床是當下一類效率較高的智能化設備。基于數字模式所發出的命令展開加工和生產運行的。當下，數控銑床在加工方面已具備顯著的精度，中型、小型的數控銑床反復定位的精度在0.01mm。然而，對其運作質量產生影響的因素不一而足。本論文正是為了發揮出數控銑床高性能特征且確保產品質量的目的，而對于數控銑床加工穩定性影響因素展開了積極的探討。

1 加工的工藝所產生的影響

1.1 刀具等相關材料的選擇

刀具等材料進行切削時會受到外界高溫、高壓以及激烈摩擦的影響，因而，提出的要求是它應具備良好的耐磨度、硬度、韌性以及耐熱性等特點。通常使用的類型包括如下的幾類：超硬的材料、陶瓷材料、高速鋼以及硬質合金。其中，誠然，高速鋼由于在它所能夠承受的切削速率要比原先當作刀具的高碳式工具鋼以及合金式工具鋼要更高些，此類材料的耐熱范圍僅僅為550℃左右，且切削的速度會對發熱量產生直接的影響，因而，此類材料實際上并不屬于真正的高速型刀削。它的優勢在于刃磨時比較地便捷[1]。

硬質合金類型材料主要包括2類，即YG(鎢鈷類)與YT(鎢鈦鈷類)。它耐熱的溫度范圍在900℃上下，承受的切削速率超出高速鋼5倍～10倍，且比高速鋼更硬、更加地耐磨和耐熱。再者，涂層處理后的硬質型合金要比非涂層類的耐用度超出2倍～10倍。據此，在進行刃磨的過程中，不可以采納冷卻液處理，不然容易出現碎裂的后果。YG切削的目標以鑄鐵等一類脆性明顯的材料為主，亦能夠運用在有色金屬以及纖維層素材的加工過程中，包括YG8、YG3以及YG6等3類。金屬Co主要發揮的是強化韌性的功能，相應的數字所表示的是金屬元素Co對應的百分比例[2]。角標愈大，表示韌性的強度愈佳，從而更加適合粗加工范圍。相類似地，角標越小，表示的韌性越差，硬度越高，因而，可以被運用在精加工領域。YT型刀具切削的對象以鋼料為主，主要的類型包括YT30、YT15以及YT5等3種。可見，數字越大，所表示的是硬度越高，更適用在精車范圍[3]。

車刀涉及到幾何維度的角度所產生影響的類型如下所述。

（1）主偏角。它影響的對象是刀尖的強度以及切削的層斷面外形。車削在對細長軸或是薄壁套筒的組件進行處理的過程時，一般挑選的是較大的主偏角，目的在于規避徑向的進行切削時出現的分力而導致零部件彎曲甚至的形變的后果。

（2）刀尖角。它主要應用在螺紋車刀范圍，被當作成形的刀具。其大小界定了牙形。

（3）副偏角。它主要對外部的粗糙情況產生影響。一般而言，主偏角和副偏角愈小，刀尖對應圓角的半徑愈大，通過車刀所加工得到的外部粗糙度更加地細化。

1.2 刀具在懸伸時的長度對于顫振的穩定性所產生的影響

假定刀柄-刀具相連的實時特性相吻合，對刀具在懸伸時的長度加以改變，維持刀具的其它參量，那么，假設刀具的半徑為10mm，借助于RCSA的推測途徑可以獲得各個刀具在懸伸時的長度下對應的銑削體系刀尖點的位移頻響的影響圖示，可參見下圖1所示。

圖1 刀具在懸伸時長度值對于體系刀尖點的位移頻響所產生影響的圖示

從上圖1表明，在懸伸的長度遞增時，體系第一階的模態對應的頻率減少，剛度減少。在懸伸的長度不大時，通過刀具所出現的主模態對應的頻率不低，對于中低速范圍的顫振所產生的影響并不大，此時體系的穩定性關鍵決定于機床的主軸-刀柄的動剛度，且其通常超出刀具，因而，在處于中低速范圍時，能夠促使臨界的軸向切度更深；在懸伸的長度遞增之際，因為刀具所導致的主模態頻率并不高，其不單單會影響高速段。

1.3 切削用量的相關指標選擇運用

切削用量一般所涉及到的指標有切削的速率、切削的深度以及進給量等。其中，切削速率對于刀具的耐用度所產生的影響最為顯著，其次為進給量，最末為切削的深度。

由于切削的用量和刀具的耐用度之間的聯系，在挑選粗加工方式來進行切削的用量過程中，須率先使用程度較大者，然后選擇程度較大的進給量，最末選擇的是合適的切削速率。在進行精加工的過程中，刀尖如果發生磨損，通常會對加工的精度產生不良的影響，因而，須挑選出耐磨性程度優良的刀具素材，且盡量地使其處于最好的切削速率范圍之中進行運作。

2 銑削力在數控銑床加工穩定性方面的影響研究

2.1 銑削力系統模型的構建及其分析

將銑刀當作研究的對象，展開二自由度的切削震動體系統模型的建構，具體可見下圖1所示，相應的式子見下（1）所示：

在上述式子（1）中，M、C與K依次代表的是體系的質量、阻尼和剛度矩陣，通常分別為[M]與[C]，且為對角陣，而[K]則為非對角陣，因此，式子（1）所表示的為耦合方程組，基于模態坐標改變進行解耦，能夠改變成非耦合式的單獨方程組。相應的模態對應的質量、剛度以及阻尼等值則能夠基于實驗模態研究所得到，和組件、機床和刀具存在著內在的關聯性。用U(t)表示刀具振動的位移參量，具體可表達成{x(t),y(t)}T，F(t)所表示的是切削力{Fx，Fy}T。

挑選的刀具是N，圓柱銑刀的刃的直徑是D，出于精簡模型的目的，設置銑刀的螺旋角是零度。在本論文中，將機床的主軸轉速設置成S(rpm)，進給的速率設置成F(mm/min)，方向是X向的進給，軸向的切削深度應ap(mm)表示，徑向的切削深度用ac(mm)表示，X向與Y向實時位移分別用△x與△y加以表示。所表示的是銑刀在第j個齒進行切削作用時對應瞬時的轉角。

2.2 對銑削震動穩定性產生影響的因子研究

學術界的專家學者們在展開銑削的穩定性分析時，認為無論是根據主軸的轉速以及軸向的切削深度震動穩定性所得到的二維式極限圖，還是根據主軸的轉數、徑向以及軸向進行切削的深度對應的穩定性所繪制的三維式極限圖，均根據再生式顫振體系進行反饋之后所對應的能量是否超出體系所耗費的能量所展開的。主要思想如下：實時切削力對于體系動態特征產生了一定的影響，而靜態的切削力并不會對體系的實時特點產生影響，因此，在分析再生性顫振的穩定性情況時，忽視靜態切削力所產生的影響。所獲得的穩定性圖像就銑削的再生性顫振可以說是準確的。據此，本論文將運動式微分函數作為切入點，分析銑削體系震動的起因。根據研究發現，和振動的位移存在聯系的量，涉及到2個維度的參量：第一類是和切削體系有關的組件、機床與刀具所對應的剛度、質量、刀具刃數、阻尼、角度和剛度等指標；第二類為軸向的切削對應的深度指標，包括主軸的轉速、進給的速度等一系列的切削量。本論文在分析銑削震動體系穩定性之際，將上述的這幾個若干切削量當作銑削進行加工時產生主要的影響因子。因而，銑削發生震動時的穩定性分析不再僅僅通過二維或是三維的途徑即可以化解的，而須借助于可以化解高維的問題工具加以克服。

3 結語

數控銑床加工穩定性影響因素在整個數控車床質量的穩定性方面起到關鍵性的作用。就加工的工藝過程中所涉及到的刀具材料的選擇、刀具在伸長時的長度、切削的用量以及切削液等都是影響因子。只有充分地對這些會產生影響的因素加以考察，才能夠確保數控銑床運作的穩定性。