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數控機床切削穩定性分析及實驗研究

2020-7-14 來源：陝西法士特（tè）集團公司作者：盧剛

摘要：由於（yú）數控機床的切削過程有著極高的複雜性，以及零件加工軌跡的不確（què）定性，使得其整個加工過程具有較為明顯的繁（fán）瑣（suǒ）性，為了提升整個數控係統的加工性能（néng），需要注重對其加工中的切削穩定性進行分析。本文對數控係統的切削穩定性分析及實驗研究進行了（le）整合，以模（mó）擬（nǐ）實現研究作為機床不同進給切削中的穩定性控製（zhì）要素，對兩種型號的數控機床在切削穩（wěn）定性上（shàng）加以（yǐ）對比，進而（ér）研（yán）究數控機床在不同進給（gěi）方向上存在的穩定性差別。以避免數控機床切削（xuē）振顫、提（tí）高工藝參（cān）數的合理性。

關（guān）鍵詞：數控機床切削；穩定性（xìng）；工藝參數

0 引言

數控機床（chuáng）切削（xuē）顫振是數控機床銑削的過程中所出現（xiàn）的震動現象，該現象會使數控機床的生產效（xiào）率極大的降低（dī），並且導致所（suǒ）生（shēng）產的（de）零件出現質量（liàng）下滑的情（qíng）況，同時導致刀具的磨（mó）損（sǔn）程度急劇增加。所以，在數控機床生產加工過程中，切削顫振（zhèn）現象會對機床的生產效率和加工質量產（chǎn）生極（jí）大（dà）的影（yǐng）響，因（yīn）此（cǐ）對數控機床切（qiē）削穩（wěn）定性進（jìn）行研（yán）究對數控機床的生產效率與（yǔ）質量提升有（yǒu）著重要意義。

1 、數控（kòng）機床切削穩定性域圖預測的（de）重要性

數控機床切削穩定性域圖（tú）預測可有效避（bì）免數控機床在切削的中顫振，並且已經得了較為廣（guǎng）泛的利用，數控機（jī）床（chuáng）切削穩定性域圖預測方（fāng）法，所參考的數值（zhí）是通過研究刀具切削中的頻率（lǜ）變化函數來實現，由於該方法使用較為（wéi）簡單，因此獲得較為廣泛的應用。

此方（fāng）法可以對銑刀的顫振穩定域（yù）進（jìn）行預測，從而實現銑刀的刀尖頻響函數（shù）和穩定域的測算。

2 、銑刀切削顫振的穩定域

本文在數控機床（chuáng）切（qiē）削穩定性域圖預測的研究中，采用（yòng）了兩台三軸（zhóu）立（lì）銑床，結合模態的測試與切削進行試驗，通過對數控（kòng）機（jī）床各角度範圍進行振顫穩定域圖預測，分析出數控機床在切削過程中的穩定性，通過對數控機床（chuáng）加（jiā）工（gōng）中（zhōng）主軸進給方向控製，確定其（qí）主（zhǔ）軸運動中的軌跡，將對應軌跡運行（háng）區域作為整個機（jī）床加（jiā）工運行刀具切削穩定性控製區域，以此作為整個機床加工運行中的關鍵性要素（sù）控製。

數控機床的再生效應可以（yǐ）使銑削發生顫振，由於加工工藝係（xì）統（tǒng）的容忍性在切削力的作用（yòng）下可以使零件的（de）表麵留下顫振痕跡，這會導致下一組生產中零件的厚度產生變化，進而會使（shǐ）變化，如此（cǐ）循環下去會使震動更加強烈。

再生顫振效（xiào）應表（biǎo）達式為：MX+CS+KX=準-1[h0+X（t-T）-X（t）]，暫時設置公式為公式（1）。公式（shì）（1）中（zhōng）的：M、C、K 分別代表為係（xì）統質量、阻尼（ní）和剛度矩陣；其中，T 為刀齒切削周期，h 0為靜態切削的厚度；準為刀具和工件接觸的區域頻響（xiǎng）函（hán）數矩陣，可以通過兩個相（xiàng）互正交方向（xiàng）進行模（mó）態測試獲取，一般情況下是數控機床的 X 與 Y 的方向，X（t）與 X（t-T）分（fèn）別（bié）是現在與上一刀（dāo）齒削周期刀具的位移和振動[1]。因此可以得出顫振穩定域臨界切計算式（shì）：

暫時設該公式為公式（2）。在該公式中 N 為刀齒數；Kt為剛（gāng）度矩陣的係數；撰g與 k 為該方程式的求解過程量（liàng）。

3 、數控機床（chuáng）的銑削顫（chàn）振（zhèn）穩定域（yù）的分析

3.1 試驗的準備

在數控機床銑（xǐ）削顫振穩定域的試驗中，采用三軸立銑床，如圖 1 所示，以此來（lái）分析數控機床切削的進給方向、主軸位置對（duì）銑削顫振穩定域的影響。

通過（guò）該試驗可以得到（dào）刀尖頻現函數，用加速度和力錘來采集卡型號，可以得到卡型號為 PCB086C03、Kistler8776A50、NI9233。在此項試驗中所使用的模態測（cè）試軟件是 Cutpro V9.3[2]。在本次實驗的過程中，將（jiāng）圓柱螺旋立銑刀定為測試刀具，該刀（dāo）具的直（zhí）徑為 D=12mm，齒數為 N=4，刀片的螺旋（xuán）角（jiǎo）度是 30°，刀具的懸長（zhǎng）為 52mm。3.2 基於（yú）進給方向的銑削顫振穩定域（yù）圖現將該機床的（de） X 的正反向設置為 0°，並以 30°為一個間隔，在（zài）設置結束後，要對刀尖進（jìn）行測試，按照一個方向對其測試頻響函（hán）數的數值，可以選擇 12 個正數角度。

當穩定區域在 2830Hz、3571Hz、4535Hz 的頻率的（de）時候會出現比較明（míng）顯的模態，並且在不同的（de）進給方向下（xià）各個頻（pín）響函數的數值的變化較大。以 3571Hz 的模態為案例，在 270°的方（fāng）向下頻（pín）響函數的幅度（dù）值為最小，為 791.9m/s2/N；300°方向的情況下，頻響函數的幅度值為最大，為 1028m/s2/N。

該實驗以鋁合金（jīn） 2A12 的銑槽為例，主（zhǔ）軸的位（wèi）置 Z=-250mm 時（shí）沿著不同角（jiǎo）度的進給方向進（jìn）行顫振（zhèn）穩定域控製。由於數控機床是不對稱的，數控車床的穩定切深會隨著進給方向的變化而產生變化，如果沿著 60°的方向，其最小值會是 0.92mm；如果按（àn）照 300°的進（jìn）給方向，最大值會是 1.02mm。3.3 基於主軸位置的銑削顫振穩定（dìng）域圖通過改變數（shù）控機床（chuáng） Z 的方向，分析主軸位置對切削顫振穩定域圖的影響。

以 Z=-250mm、中間值 Z=0mm 和最高值 Z=250mm 三個位置為例。根據軸位置在最低位置時的穩定切深是 1.02mm，並且是在 360°的方向上（shàng）時；當主軸位置在中間（jiān）位置時穩定切深是 1.12mm，並且是在 120°的情況下；在主軸的位（wèi）置在最高（gāo）穩定切深是 1.60mm，並且是 0°方向[3]。

從數控機床的角度出發，如果主軸的位置在高處，懸伸就越小，剛性就會越高（gāo），這（zhè）樣（yàng），穩定切削區的區域就會（huì）越來越大。並且與穩（wěn）定域圖中的 300°處於對稱的狀（zhuàng）態。

3.4 同類型數控機（jī）床顫振穩定域圖對比

在同類型的數控機床（chuáng）中，試驗選定第（dì）二台數控機床，並且使用第二（èr）台數控機床進行顫振穩定域圖的預測，其對（duì）應的測試數據處理，是建立在第一（yī）次測量數據基礎之上的，以其數據作為整個測量（liàng）中的關鍵性對比要素（sù），衡量數據對比關係中的切削（xuē）位置變化。根據第（dì）二（èr）台機（jī）床所對（duì）應的z =-250mm、0mm、Z =250mm 所得出的穩定切深分別為0.86mm、0.92mm、1.64mm。

由此可見（jiàn），雖然兩台數控機床在型號上是相同的，但是有設計、裝配與使用方法的（de）不同，會導致兩台數控機床在切削的（de）性能上會出現一定的差異。以（yǐ）0°方向的頻現函數為例（lì）子（zǐ），兩台（tái）數控機床在各（gè）個數值上均會出現不（bú）同情況，因此在這種背景（jǐng）下，為了（le）提升整（zhěng）體的機床加工穩定性，需要在機床加工過（guò）程中，對整（zhěng）個機床加工中的穩定區域分（fèn）析對比，保障在穩定區域分（fèn）析對比過程（chéng）中，能夠為整個加工精準（zhǔn）性（xìng）控製提（tí）供保（bǎo）障。

4 、數控機床的切削實驗

在試驗（yàn）中表明，1 號機床在（zài）進行切削實驗的過程中，刀具和其他工藝參數的數值相同。測試結果表示，顫振（zhèn）的穩定域圖會不（bú）斷的（de）加深切深，一（yī）直到出現顫振（zhèn）情況為止，並且會使進給方向（xiàng）發生改變。當 D=12mm，n=4000r·min，F=300mm/min，ae=12mm 時其對應數據切削中采集到的切削穩（wěn）定值振動發出的聲音。由於該模式下的頻率比較高，所（suǒ）以結合模態分析結（jié）果可以認定模態是來源於刀具的本身。所以刀具結構如果較為對稱，那麽能（néng）夠發現在不同（tóng）的進給方（fāng）向模態的幅度值比較接近。

5 、結論

綜上所述，在數控機床加工技術應用中，為了保障其切削（xuē）穩定性，應該按照整個加工中的機床（chuáng）運行需求，對整體機床加工（gōng）運行中（zhōng）的（de）數據進行穩定性分析，在數據穩定性分析過程中，能夠將對應（yīng）機床加工運行的穩定區域明確，這樣才（cái）能使整個機床加工技術應用的科學（xué）性能（néng）力得到提升。

通過本文的研究和分析，將借助不同的實驗對比條件，將整個機床加工中的切削（xuē）穩定區域進行分析，其對應的分析（xī）結果顯示，當 Z=-250mm、中間值 Z=0mm 和最高值 Z=250mm 時，整個數控機床加工中的切（qiē）削（xuē）穩定性是最強的，因此（cǐ），應該注重對該範圍內的切削參數設置，保障其（qí）整體參數設置處理應用到現實加工生產中，能夠為數控機床加工效率提升奠定基礎，轉變其原有的機床加工運行（háng）效能，實現機床加工的科學性控製。

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