數控機床切削（xuē）穩定性分析及實驗研究
2020-7-14 來源： 陝西法士特集團公司 作（zuò）者：盧剛
摘要：由於數控機床的切削過（guò）程有著（zhe）極高的複（fù）雜性，以（yǐ）及零件加工軌（guǐ）跡的不確定性，使得其整個加（jiā）工過程具（jù）有較為明顯的繁瑣性，為了（le）提（tí）升（shēng）整個數控係統的加工性能，需要注重對其加工中的切削（xuē）穩定性進行（háng）分析。本文對數控係統的切（qiē）削穩定性分（fèn）析及實（shí）驗研究進行了整合，以模擬實現研（yán）究作為機床不同進給切削中的穩定（dìng）性控製（zhì）要（yào）素，對兩種型號的數控機床在切削穩定性上加以對比，進而研究數控機床在不同進給方向上存在的穩定性差別。以避免（miǎn）數（shù）控機床切削振顫、提高工藝參數的合（hé）理性。
關鍵詞：數控機床切削；穩定性（xìng）；工藝參數
0 引（yǐn）言
數控機床切削顫振是數控機床銑削的過程中所（suǒ）出現的震動現象，該現象會使數控機床的（de）生產效率極大的降低，並且導致所生產的零件出現質量下滑（huá）的情況，同時導致刀具的磨損程度急劇增加。所以，在數控（kòng）機（jī）床生（shēng）產加工過程中（zhōng），切削顫振現象會對機床的生產效（xiào）率和加工質量產生極（jí）大的影響，因此對數（shù）控機床切削穩定性進行研究對數控機床的生產效率與質量提升有著（zhe）重要意義。
1 、數控（kòng）機床切削穩定（dìng）性域圖預測的（de）重要性
數控機（jī）床切（qiē）削穩定性域圖預測可有效避免數控機床在切削的中顫振，並且已經得了較為廣泛的（de）利（lì）用，數控機床切（qiē）削穩定性域（yù）圖預測方法，所參考的數值（zhí）是通過研究刀（dāo）具切削中的頻率變化函數來實現，由於該方法使用較為簡單，因此獲得較為廣泛的應用。
此方法可以（yǐ）對銑刀的顫（chàn）振穩定（dìng）域進行預測，從而實現銑（xǐ）刀的刀尖頻響函數和穩定域的測算。
2 、銑刀切削顫振的穩定域（yù）
本文在數控機床（chuáng）切削穩定性域圖（tú）預測的研究中，采用了兩台三軸立銑床，結合模態的測試與切削進行試驗，通過對數控機床各角度範圍進（jìn）行振顫穩定域（yù）圖預測，分析出數控機床在切（qiē）削過（guò）程中（zhōng）的穩定性，通過對數控機床加工中主軸進給（gěi）方（fāng）向控製，確定其主軸運動中的（de）軌跡，將對應軌跡運行區域作為整個機床加工運行（háng）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控製。
數控機床的再生效（xiào）應可以使銑削發生顫振，由於加工工藝係統（tǒng）的容忍性在切削（xuē）力的作用下可以使零件的表麵留下顫振痕跡（jì），這（zhè）會導致下一組生（shēng）產中零件的厚度產生變化，進而（ér）會使變（biàn）化，如此循環下去會使震動更（gèng）加強烈（liè）。
再生顫振效應表達式為（wéi）：MX+CS+KX=準-1[h0+X（t-T）-X（t）]，暫時設置公式為公式（1）。公式（1）中的：M、C、K 分別代表為係（xì）統（tǒng）質量（liàng）、阻尼和剛度矩陣；其中，T 為刀齒切削（xuē）周期，h 0為靜態切削的（de）厚度；準 為刀具和工件接觸的區域頻響函數矩陣，可以通過兩個相互正交方向進行模（mó）態測試獲取，一般（bān）情況（kuàng）下是數控機床的 X 與 Y 的方（fāng）向，X（t）與（yǔ） X（t-T）分別是現在與上一刀齒削周（zhōu）期刀具的位移（yí）和振動[1]。因此可以得出顫振穩定域臨界切計算式 ：
暫時設（shè）該公（gōng）式為公式（2）。在該公式中 N 為刀齒（chǐ）數；Kt為（wéi）剛（gāng）度矩陣的係數；撰g與 k 為該方程式的求（qiú）解（jiě）過程（chéng）量。
3 、數控機床的（de）銑削顫振穩（wěn）定域的分析（xī）
3.1 試驗的準備
在數控機（jī）床銑（xǐ）削（xuē）顫振穩定域（yù）的試（shì）驗中，采用三軸立銑床，如圖 1 所示，以此來分析數控機床切削的進給（gěi）方向、主軸位置對銑削（xuē）顫振穩定域的影響。
通過該試驗可以得（dé）到刀尖頻現函數，用加速度和力錘來采集卡型號，可以得到卡型號（hào）為 PCB086C03、Kistler8776A50、NI9233。在此項試驗中所（suǒ）使用的模態測試軟件是 Cutpro V9.3[2]。在本次實驗（yàn）的過程中，將圓柱螺旋立銑刀定為測試刀具，該刀具的直徑為 D=12mm，齒數為（wéi） N=4，刀片的（de）螺旋角度是 30°，刀具的懸長為 52mm。3.2 基於進給方向的銑削（xuē）顫（chàn）振穩定域圖現將該機床的 X 的正反向（xiàng）設置（zhì）為 0°，並以 30°為一個間隔，在設置結束後，要（yào）對刀尖進行測試，按照一個方向對其測試頻響函數的數值，可以選擇 12 個正數角度。
當穩定區域在 2830Hz、3571Hz、4535Hz 的頻率的時候會出現比（bǐ）較明顯的模態，並且在不同的（de）進給方向下各個頻響函數的數值的變化較大。以（yǐ） 3571Hz 的模態為案例，在 270°的（de）方向下頻響函數的幅度值為最小，為 791.9m/s2/N；300°方向的（de）情況下，頻響函數的（de）幅度值為最大，為（wéi） 1028m/s2/N。
該實驗以鋁合金 2A12 的銑（xǐ）槽為例，主軸的位置 Z=-250mm 時沿著不同（tóng）角度的進給方向進行顫振穩定（dìng）域控製。由於數控機床（chuáng）是不對稱的，數控車床的穩（wěn）定（dìng）切深會隨著進給方向的變化而產生（shēng）變化，如果沿著 60°的（de）方（fāng）向（xiàng），其最小值會是 0.92mm；如果按照 300°的進給方向，最大值會是 1.02mm。3.3 基於主軸位置的（de）銑削顫振穩定域圖（tú）通過改變數控機床 Z 的方向，分析主軸位置對切削顫振穩定域圖的影響。
以（yǐ） Z=-250mm、中間值 Z=0mm 和最高值 Z=250mm 三（sān）個位置為（wéi）例。根據軸位置在最低位置（zhì）時的（de）穩定切深是 1.02mm，並且（qiě）是（shì）在 360°的方向上時；當主軸位置在中間（jiān）位置（zhì）時穩定（dìng）切深是 1.12mm，並且是在 120°的情（qíng）況（kuàng）下；在主軸的位置在最高穩定切（qiē）深是 1.60mm，並且（qiě）是 0°方向[3]。
從數控機床的角度出發（fā），如果主軸的位置在高處，懸伸就越小，剛性就會越高，這樣，穩定切削區（qū）的區域就會越來越大。並且與穩定域圖中的（de） 300°處於（yú）對稱的狀態。
3.4 同類型數控機床顫振穩定域圖對比
在同（tóng）類型的數控機床中，試驗選定第二台數控機床，並且使用第二（èr）台數控機床進（jìn）行顫振穩定域圖的預測，其對應（yīng）的測試數（shù）據處理，是建立在第一次測（cè）量數據基（jī）礎之上的，以其數據作為整個測量中的關鍵性對比要素，衡量數據對比關係中的切削位置變化。根據（jù）第二台機床（chuáng）所對應的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（kě）見，雖然兩台數控（kòng）機床在型號上是（shì）相同的，但是有設計、裝配與使用方法的不同（tóng），會（huì）導（dǎo）致兩台數控機床在切削的性能上會出現一定的（de）差異。以0°方向的頻現函數為例子，兩台數控機床在各（gè）個數（shù）值上均會出現不同情況，因此在這種背景下，為了提（tí）升整體的機床加工穩定性，需要在機床加工過程中，對整個機床（chuáng）加工中的穩定區域分析對比，保障在穩定（dìng）區域分析對比（bǐ）過（guò）程中，能夠為整個加工精準性控製提供保障。
4 、數控機床的切削實驗
在試驗中表明，1 號機床在進行切削實驗的過程中（zhōng），刀具和其他工藝（yì）參數的（de）數值相同。測（cè）試結果表（biǎo）示，顫振的穩定域圖（tú）會不斷的加深切深，一（yī）直到（dào）出現顫振情況（kuàng）為止，並且會使進給方向發生改變。當 D=12mm，n=4000r·min，F=300mm/min，ae=12mm 時其（qí）對應數據切削中采集到（dào）的切削穩定值（zhí）振動（dòng）發出的（de）聲音。由於該模式下的頻率比較高，所以結合模態分析結（jié）果可以認定模態是（shì）來源於（yú）刀具的本身。所以刀具結構如（rú）果較（jiào）為對稱，那麽（me）能夠發現在不同的進給方（fāng）向（xiàng）模態的幅度值比較接近。
5 、結論
綜（zōng）上所（suǒ）述，在數控機（jī）床加工技術應用中，為了保障其切削穩定性（xìng），應該按照整個加工中的機床運行需求，對整體機床加工運行中的數據進行（háng）穩定（dìng）性分析，在數據穩定性分析過程中，能（néng）夠將對應機床加工運行的穩定區域明確，這（zhè）樣才能使整個機床加工技（jì）術應用的科學性能力得（dé）到提升。
通過本文的研究（jiū）和分析，將借助不（bú）同的實驗對比條件，將整個機床加工中的切（qiē）削穩（wěn）定區域進行分析，其對應的分析結果顯示，當 Z=-250mm、中間值 Z=0mm 和最高值 Z=250mm 時，整（zhěng）個數控機床加工中的切削穩定性是最強的，因此，應該注重對該（gāi）範圍內的切削參數設置，保障其整體參數設置處理應用到現實加工生產中，能夠為（wéi）數控機床加工效率提升奠定基礎，轉變（biàn）其原有（yǒu）的機床加工（gōng）運行（háng）效能，實現機床加工的科學性控製。
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