臥式加工中心顫振的形成機(jī)理

臥式加工中心顫振的形成機(jī)理

非晶態(tài)加工中心的特點(diǎn)是靈活、高精度和高效率，越來越多地應(yīng)用于不同的加工行業(yè)。如何提高嵌入式加工中心的加工效率，以及設(shè)備價(jià)值的最大作用一直是加工中心技術(shù)人員的目標(biāo)。高效往往通過強(qiáng)力切削和應(yīng)用高切削參數(shù)來實(shí)現(xiàn),但在強(qiáng)力切削過程中易產(chǎn)生顫振,影響到加工質(zhì)量,制約了加工效率的提高。1切割過程中的振動(dòng)現(xiàn)象及其性質(zhì)1.1顫振發(fā)生機(jī)理在生產(chǎn)實(shí)踐中,當(dāng)切削速度提高后會(huì)產(chǎn)生刀具抖動(dòng)現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)肉眼可以觀察到,而加工工件的表面光潔度隨之嚴(yán)重下降,這種情況理論上稱為顫振。顫振是機(jī)械加工在沒有周期性外力的作用下,由機(jī)床—工件—刀具—夾具工藝系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反饋產(chǎn)生的周期性的振動(dòng)。震顫是工藝系統(tǒng)失穩(wěn)的外在表現(xiàn),震顫使工件表面產(chǎn)生振紋,表面粗糙度值加大,損害工件表面質(zhì)量,加劇刀具磨損,降低刀具和機(jī)床的使用壽命,另外震顫嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生尖銳的噪聲,影響工作環(huán)境,特別是對(duì)于光潔度精度要求較高的孔,即便是粗鏜發(fā)生顫振也是致命的,因此在切削加工中要盡量避免顫振的發(fā)生。顫振的產(chǎn)生原因很復(fù)雜,與諸多的因素有關(guān),如機(jī)床的剛性、夾具的合理性、工件的外形和刀具的剛性等等,這里僅從分析切削條件出發(fā),闡述通過改變切削條件來避免顫振的發(fā)生。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)顫振產(chǎn)生的機(jī)理,進(jìn)行了深入的研究,從不同的方面闡述了顫振的特性和機(jī)理,顫振主要可分為再生型、振型耦合型、摩擦性、滯后型等幾種顫振類型。在這幾中顫振中以再生型最為普遍和常見,下面就以再生型說明切削寬度與顫振的關(guān)系。圖1是再生切削效應(yīng)示意圖,假設(shè)切削環(huán)境條件(機(jī)床、夾具等)不變的情況下,在鏜削過程中,本轉(zhuǎn)次切削的振紋與前轉(zhuǎn)次的振紋總不會(huì)完全吻合,設(shè)它們的相位差為ψ,如本轉(zhuǎn)次切削時(shí)顫振引起的刀具與工件的相對(duì)位移Yn為:前一次切削時(shí)顫振引起的刀具相對(duì)工件的位移Yn-1為:則其動(dòng)態(tài)厚度α(t)為:動(dòng)態(tài)切削力為:式中,An,An-1為切削時(shí)顫振的振幅,mm;α0名義切削厚度,mm;b為切削層寬度,mm;k為切態(tài)切削力系數(shù)。顯然在切削過程中,當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后,刀具在有振紋的表面進(jìn)行切削,切削厚度將呈周期性變化,此時(shí)切削過程中就有交變的動(dòng)態(tài)切削力產(chǎn)生,如果切削過程中的各種條件的匹配進(jìn)一步促進(jìn)振動(dòng),就會(huì)發(fā)展成顫振。2動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)k在影響顫振的切削條件中,切削厚度b對(duì)顫振的影響最大。切削實(shí)踐表明,影響顫振的切削厚度有個(gè)極限blim,由此可構(gòu)成一個(gè)工藝系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的安全準(zhǔn)則—極限厚度安全準(zhǔn)則,如果切削厚度小于極限切削厚度blim,則無論其它切削厚度如何都不會(huì)產(chǎn)生顫振。如切削厚度大于其極限切削厚度blim,則無論其它切削參數(shù)如何都會(huì)產(chǎn)生顫振。因此對(duì)于一個(gè)工藝系統(tǒng)來說,依據(jù)極限厚度blim作為一種安全準(zhǔn)則是必要的。即:o<b<blim。不同的機(jī)床、夾具、刀具和加工材料等構(gòu)成的工藝系統(tǒng)環(huán)境是不同的,其動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)k是不相同的。在同一個(gè)工藝系統(tǒng)中即k是恒定時(shí),動(dòng)態(tài)切削力F(t)取決于切削層厚度blim,如何減小切削層厚度blim從而達(dá)到減小動(dòng)態(tài)切削力F(t)成為提高切削效率的關(guān)鍵。3在實(shí)踐中的應(yīng)用3.1進(jìn)給速度對(duì)顫振的影響在實(shí)踐中加工的是薄壁件縫紉機(jī)的機(jī)殼,加工的工序是粗鏜孔,由于機(jī)殼外形的特殊性影響更易產(chǎn)生震顫。材料:HT2040刀具φ38鏜刀刀具材料是硬質(zhì)合金刀片,單邊切削余量1.5mm,刀具的長(zhǎng)度是240mm。切削進(jìn)給速度F=580mm/min,S=500r/min時(shí),在加工中產(chǎn)生震顫,最初以為是夾具剛性不足,通過改進(jìn)夾具發(fā)現(xiàn)情況沒有發(fā)生明顯變化。之后,根據(jù)上述理論在實(shí)踐中對(duì)切削的厚度進(jìn)行了分析,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:由表1、圖2可見,主軸轉(zhuǎn)速不變時(shí)提高進(jìn)給速度,隨著進(jìn)給速度提高切削厚度增加到大于0.8mm時(shí)產(chǎn)生顫振。由表2可見,速度不變提高主軸轉(zhuǎn)速,隨著轉(zhuǎn)提高到切削厚度小于0.8mm時(shí)不產(chǎn)生震顫。可以看出此加工系統(tǒng)環(huán)境的限切削厚度blim=0.8mm左右,震顫發(fā)生只與切削厚度有關(guān),與機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和切削速度無關(guān),因此其實(shí)際結(jié)果與理論相符,從而為解決此問題提供了理論依據(jù)。但是如果采用表1的方法降低進(jìn)給切削速度,那么整個(gè)的加工效率被降低。如果采用表2、圖3的方法提高主軸的轉(zhuǎn)速,刀具磨損嚴(yán)重,需要經(jīng)常換刀,既浪費(fèi)時(shí)間又不經(jīng)濟(jì),也不可取。3.2降低切削力根據(jù)上述理論將單刃鏜刀改為雙刃鏜刀,使切削刃的切削厚度blim降低到原來的一半,從而使得整個(gè)切削力F(t)比原來減少了30%,將切削參數(shù)選取切削進(jìn)給速度F=600mm/min、主軸轉(zhuǎn)速S=520r/min,未發(fā)生顫振,從而在未改變其它工藝環(huán)境的情況下,提高了加工效率60%。4提高加工工藝的質(zhì)量及工藝效率在臥式加工中心實(shí)際鏜孔加工中,在鏜刀刀桿較長(zhǎng)的情況下,刀桿處于懸空狀態(tài),動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)k值較大,相應(yīng)的極限切削厚度blim較小,在上述的試驗(yàn)中證明增加刀刃數(shù)量是一種解決的辦法,在加工中應(yīng)該根據(jù)具體的情況來選用。臥式加工中心設(shè)備價(jià)格昂貴,如