數(shù)控銑床加工穩(wěn)定性影響因素分析

陳艷麗，吳冬霞，李永強(qiáng)，芮守鳳

（蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730200）

數(shù)控銑床是當(dāng)下一類效率較高的智能化設(shè)備。基于數(shù)字模式所發(fā)出的命令展開加工和生產(chǎn)運(yùn)行的。當(dāng)下，數(shù)控銑床在加工方面已具備顯著的精度，中型、小型的數(shù)控銑床反復(fù)定位的精度在0.01mm。然而，對(duì)其運(yùn)作質(zhì)量產(chǎn)生影響的因素不一而足。本論文正是為了發(fā)揮出數(shù)控銑床高性能特征且確保產(chǎn)品質(zhì)量的目的，而對(duì)于數(shù)控銑床加工穩(wěn)定性影響因素展開了積極的探討。

1 加工的工藝所產(chǎn)生的影響

1.1 刀具等相關(guān)材料的選擇

刀具等材料進(jìn)行切削時(shí)會(huì)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(yīng)具備良好的耐磨度、硬度、韌性以及耐熱性等特點(diǎn)。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(zhì)合金。其中，誠(chéng)然，高速鋼由于在它所能夠承受的切削速率要比原先當(dāng)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(huì)對(duì)發(fā)熱量產(chǎn)生直接的影響，因而，此類材料實(shí)際上并不屬于真正的高速型刀削。它的優(yōu)勢(shì)在于刃磨時(shí)比較地便捷[1]。

硬質(zhì)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(zhì)型合金要比非涂層類的耐用度超出2倍～10倍。據(jù)此，在進(jìn)行刃磨的過(guò)程中，不可以采納冷卻液處理，不然容易出現(xiàn)碎裂的后果。YG切削的目標(biāo)以鑄鐵等一類脆性明顯的材料為主，亦能夠運(yùn)用在有色金屬以及纖維層素材的加工過(guò)程中，包括YG8、YG3以及YG6等3類。金屬Co主要發(fā)揮的是強(qiáng)化韌性的功能，相應(yīng)的數(shù)字所表示的是金屬元素Co對(duì)應(yīng)的百分比例[2]。角標(biāo)愈大，表示韌性的強(qiáng)度愈佳，從而更加適合粗加工范圍。相類似地，角標(biāo)越小，表示的韌性越差，硬度越高，因而，可以被運(yùn)用在精加工領(lǐng)域。YT型刀具切削的對(duì)象以鋼料為主，主要的類型包括YT30、YT15以及YT5等3種。可見(jiàn)，數(shù)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(chǎn)生影響的類型如下所述。

（1）主偏角。它影響的對(duì)象是刀尖的強(qiáng)度以及切削的層斷面外形。車削在對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸或是薄壁套筒的組件進(jìn)行處理的過(guò)程時(shí)，一般挑選的是較大的主偏角，目的在于規(guī)避徑向的進(jìn)行切削時(shí)出現(xiàn)的分力而導(dǎo)致零部件彎曲甚至的形變的后果。

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

（3）副偏角。它主要對(duì)外部的粗糙情況產(chǎn)生影響。一般而言，主偏角和副偏角愈小，刀尖對(duì)應(yīng)圓角的半徑愈大，通過(guò)車刀所加工得到的外部粗糙度更加地細(xì)化。

1.2 刀具在懸伸時(shí)的長(zhǎng)度對(duì)于顫振的穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響

假定刀柄-刀具相連的實(shí)時(shí)特性相吻合，對(duì)刀具在懸伸時(shí)的長(zhǎng)度加以改變，維持刀具的其它參量，那么，假設(shè)刀具的半徑為10mm，借助于RCSA的推測(cè)途徑可以獲得各個(gè)刀具在懸伸時(shí)的長(zhǎng)度下對(duì)應(yīng)的銑削體系刀尖點(diǎn)的位移頻響的影響圖示，可參見(jiàn)下圖1所示。

圖1 刀具在懸伸時(shí)長(zhǎng)度值對(duì)于體系刀尖點(diǎn)的位移頻響所產(chǎn)生影響的圖示

從上圖1表明，在懸伸的長(zhǎng)度遞增時(shí)，體系第一階的模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率減少，剛度減少。在懸伸的長(zhǎng)度不大時(shí)，通過(guò)刀具所出現(xiàn)的主模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率不低，對(duì)于中低速范圍的顫振所產(chǎn)生的影響并不大，此時(shí)體系的穩(wěn)定性關(guān)鍵決定于機(jī)床的主軸-刀柄的動(dòng)剛度，且其通常超出刀具，因而，在處于中低速范圍時(shí)，能夠促使臨界的軸向切度更深；在懸伸的長(zhǎng)度遞增之際，因?yàn)榈毒咚鶎?dǎo)致的主模態(tài)頻率并不高，其不單單會(huì)影響高速段。

1.3 切削用量的相關(guān)指標(biāo)選擇運(yùn)用

切削用量一般所涉及到的指標(biāo)有切削的速率、切削的深度以及進(jìn)給量等。其中，切削速率對(duì)于刀具的耐用度所產(chǎn)生的影響最為顯著，其次為進(jìn)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(lián)系，在挑選粗加工方式來(lái)進(jìn)行切削的用量過(guò)程中，須率先使用程度較大者，然后選擇程度較大的進(jìn)給量，最末選擇的是合適的切削速率。在進(jìn)行精加工的過(guò)程中，刀尖如果發(fā)生磨損，通常會(huì)對(duì)加工的精度產(chǎn)生不良的影響，因而，須挑選出耐磨性程度優(yōu)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(jìn)行運(yùn)作。

2 銑削力在數(shù)控銑床加工穩(wěn)定性方面的影響研究

2.1 銑削力系統(tǒng)模型的構(gòu)建及其分析

將銑刀當(dāng)作研究的對(duì)象，展開二自由度的切削震動(dòng)體系統(tǒng)模型的建構(gòu)，具體可見(jiàn)下圖1所示，相應(yīng)的式子見(jiàn)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(zhì)量、阻尼和剛度矩陣，通常分別為[M]與[C]，且為對(duì)角陣，而[K]則為非對(duì)角陣，因此，式子（1）所表示的為耦合方程組，基于模態(tài)坐標(biāo)改變進(jìn)行解耦，能夠改變成非耦合式的單獨(dú)方程組。相應(yīng)的模態(tài)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量、剛度以及阻尼等值則能夠基于實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)研究所得到，和組件、機(jī)床和刀具存在著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性。用U(t)表示刀具振動(dòng)的位移參量，具體可表達(dá)成{x(t),y(t)}T，F(xiàn)(t)所表示的是切削力{Fx，F(xiàn)y}T。

挑選的刀具是N，圓柱銑刀的刃的直徑是D，出于精簡(jiǎn)模型的目的，設(shè)置銑刀的螺旋角是零度。在本論文中，將機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置成S(rpm)，進(jìn)給的速率設(shè)置成F(mm/min)，方向是X向的進(jìn)給，軸向的切削深度應(yīng)ap(mm)表示，徑向的切削深度用ac(mm)表示，X向與Y向?qū)崟r(shí)位移分別用△x與△y加以表示。所表示的是銑刀在第j個(gè)齒進(jìn)行切削作用時(shí)對(duì)應(yīng)瞬時(shí)的轉(zhuǎn)角。

2.2 對(duì)銑削震動(dòng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的因子研究

學(xué)術(shù)界的專家學(xué)者們?cè)谡归_銑削的穩(wěn)定性分析時(shí)，認(rèn)為無(wú)論是根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)速以及軸向的切削深度震動(dòng)穩(wěn)定性所得到的二維式極限圖，還是根據(jù)主軸的轉(zhuǎn)數(shù)、徑向以及軸向進(jìn)行切削的深度對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性所繪制的三維式極限圖，均根據(jù)再生式顫振體系進(jìn)行反饋之后所對(duì)應(yīng)的能量是否超出體系所耗費(fèi)的能量所展開的。主要思想如下：實(shí)時(shí)切削力對(duì)于體系動(dòng)態(tài)特征產(chǎn)生了一定的影響，而靜態(tài)的切削力并不會(huì)對(duì)體系的實(shí)時(shí)特點(diǎn)產(chǎn)生影響，因此，在分析再生性顫振的穩(wěn)定性情況時(shí)，忽視靜態(tài)切削力所產(chǎn)生的影響。所獲得的穩(wěn)定性圖像就銑削的再生性顫振可以說(shuō)是準(zhǔn)確的。據(jù)此，本論文將運(yùn)動(dòng)式微分函數(shù)作為切入點(diǎn)，分析銑削體系震動(dòng)的起因。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，和振動(dòng)的位移存在聯(lián)系的量，涉及到2個(gè)維度的參量：第一類是和切削體系有關(guān)的組件、機(jī)床與刀具所對(duì)應(yīng)的剛度、質(zhì)量、刀具刃數(shù)、阻尼、角度和剛度等指標(biāo)；第二類為軸向的切削對(duì)應(yīng)的深度指標(biāo)，包括主軸的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給的速度等一系列的切削量。本論文在分析銑削震動(dòng)體系穩(wěn)定性之際，將上述的這幾個(gè)若干切削量當(dāng)作銑削進(jìn)行加工時(shí)產(chǎn)生主要的影響因子。因而，銑削發(fā)生震動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性分析不再僅僅通過(guò)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(wèn)題工具加以克服。

3 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控銑床加工穩(wěn)定性影響因素在整個(gè)數(shù)控車床質(zhì)量的穩(wěn)定性方面起到關(guān)鍵性的作用。就加工的工藝過(guò)程中所涉及到的刀具材料的選擇、刀具在伸長(zhǎng)時(shí)的長(zhǎng)度、切削的用量以及切削液等都是影響因子。只有充分地對(duì)這些會(huì)產(chǎn)生影響的因素加以考察，才能夠確保數(shù)控銑床運(yùn)作的穩(wěn)定性。