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數控機床切削穩定性分（fèn）析及實驗研究

2020-7-14 來源：陝西（xī）法士特集團公司作者：盧剛

摘要（yào）：由於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（jì）的不確定性，使得其（qí）整個加工過程（chéng）具有較為明顯的繁瑣性，為了提升整個數控係統的加工性能，需要注重對其加工中的切削穩定性進行（háng）分析。本文對數控（kòng）係統的切削穩定性分（fèn）析及（jí）實驗研究進行了整合，以模擬（nǐ）實現研究作為機床（chuáng）不同進給切削中的穩定性控製要素（sù），對兩（liǎng）種型（xíng）號的數控機（jī）床在切削穩定（dìng）性（xìng）上加以對比，進而研究數控機床在不同進（jìn）給方向上存在的穩定（dìng）性差別。以避免數控機床切（qiē）削振顫、提高（gāo）工藝參數的合理性。

關鍵詞：數控機床切削；穩定性；工藝參數（shù）

0 引言

數控機床切削顫振是數控機床銑削的過程中所出現的（de）震動現象，該現象會使數控機床的生產效率極大的降低，並且導致所（suǒ）生產的零件出（chū）現質量（liàng）下滑的情況（kuàng），同時導致刀具的磨損程（chéng）度急劇增加。所以，在數控機床生產加工過程中，切（qiē）削顫振現象會對機床的生產效（xiào）率和加工質量產生極大的影響，因此對數控（kòng）機床切（qiē）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重要意義。

1 、數控機床切削穩定性域圖預測的重要性

數控機床切削穩定性域（yù）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利用，數控（kòng）機床切削穩定性域圖預測方法，所參考的數值是通過研究刀具切削（xuē）中的頻率變化函數來實現，由於（yú）該方法使用較為簡單，因此獲得較為廣泛的應用。

此方法可（kě）以對銑刀的顫振穩定域（yù）進行預測，從而實現（xiàn）銑刀的刀尖頻響函數和穩定域的測算。

2 、銑（xǐ）刀（dāo）切削顫振的穩定域

本文在數控機床切削穩定性域圖預測的研究中，采用（yòng）了兩（liǎng）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行振（zhèn）顫穩定域圖預測，分析出數控機（jī）床在切削過程中的穩定性，通過對數控機床加工中主軸進給方向控製，確定其主軸運動中的軌跡（jì），將對應軌跡運行區域作為整個（gè）機床加工運行刀具切削穩（wěn）定性控製區域，以此作為整個機床加（jiā）工運行中的關鍵性要素控製。

數控機床的再生效應可以使銑削發生顫振，由於加工工（gōng）藝係統的（de）容忍性在切削力的作用下可以使零件的表麵留下顫振痕跡，這會導致下（xià）一組生產中零件的厚度產生變（biàn）化（huà），進而會使變化，如此循環下去會使震動（dòng）更加強烈。

再生顫（chàn）振效應表達式為：MX+CS+KX=準-1[h0+X（t-T）-X（t）]，暫時設置（zhì）公式為（wéi）公式（1）。公（gōng）式（1）中的（de）：M、C、K 分別（bié）代表為係統（tǒng）質量、阻尼和剛度（dù）矩陣；其中，T 為刀齒切削周期，h 0為靜態切（qiē）削的厚度；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）分別是現在與（yǔ）上一刀齒削周期刀具的位移和振動[1]。因此（cǐ）可以得出顫振穩定域臨界切計算式：

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

3 、數控機（jī）床的（de）銑（xǐ）削顫振穩定域的分析

3.1 試驗的準（zhǔn）備

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

通過該試驗可（kě）以（yǐ）得到刀尖頻現函數，用加（jiā）速度（dù）和力錘來采集（jí）卡（kǎ）型號，可以得到卡型號為 PCB086C03、Kistler8776A50、NI9233。在此項（xiàng）試驗中所使用的模態測試軟（ruǎn）件是 Cutpro V9.3[2]。在本（běn）次實驗的過程中，將圓柱（zhù）螺旋立銑刀定為（wéi）測試刀具（jù），該刀具的直徑為 D=12mm，齒數為 N=4，刀片的螺旋角度是 30°，刀具的懸長為 52mm。3.2 基於進給方向的銑削顫振穩定域圖現將該機床的 X 的正反向設置為 0°，並以 30°為一個間隔，在設置結束（shù）後，要對刀尖進行測試，按照一個方向對其測試頻響函數的數值，可以選（xuǎn）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（zài）不同的進給方（fāng）向下各個頻響函數的數值的變化較大。以 3571Hz 的模態（tài）為案例，在 270°的方向下頻響函數的幅（fú）度值為最小，為 791.9m/s2/N；300°方（fāng）向的情況下，頻響函（hán）數的幅度值為（wéi）最（zuì）大，為 1028m/s2/N。

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

以 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（dī）位置時的穩定切深是 1.02mm，並且是在 360°的方向上（shàng）時；當主軸位置在中間位置時穩定切（qiē）深是（shì） 1.12mm，並且是在 120°的情況下；在主軸（zhóu）的位置在最高穩定切深是 1.60mm，並且（qiě）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，這樣，穩定切削區的區域就會越來越大。並且（qiě）與穩定域圖中的 300°處於對（duì）稱的狀態。

3.4 同類型數控機床顫振穩定域（yù）圖對比

在同類型的數控機床中，試驗選定（dìng）第二台數控機床，並且使用第二台數控機（jī）床進行顫振穩定域圖的預測，其對應的測試數據處理（lǐ），是建立在第（dì）一次（cì）測量數據基礎之上的，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（bǐ）關係中的切削位置變化。根據（jù）第二台機床所對應的z =-250mm、0mm、Z =250mm 所（suǒ）得出的穩（wěn）定切深分別（bié）為0.86mm、0.92mm、1.64mm。

由此（cǐ）可見，雖然（rán）兩（liǎng）台數控（kòng）機床在型號上是相同的，但是有設計、裝配與使用方（fāng）法的不同，會導致兩台（tái）數控機（jī）床在切削的性能上會出現一定的差異。以0°方向的頻現函數為例子，兩（liǎng）台數控機床在各個數值上均會出現不同情（qíng）況，因此在這種背景下，為了提升整體的機床（chuáng）加（jiā）工穩定性（xìng），需要在機床加工過程中（zhōng），對整個機（jī）床加工中的穩定區（qū）域分析對比，保障在穩定區域分析對（duì）比過程中，能夠為整個加工精準性控製（zhì）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（háng）切削實驗的過程中，刀具和其他工（gōng）藝參（cān）數的數值相同。測試結果表示（shì），顫振的穩（wěn）定域（yù）圖會不斷的（de）加深切深，一直到出現顫振情況（kuàng）為止，並且會使進給方向發生改變（biàn）。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定值振動發出（chū）的聲音。由於該模式下的頻率比較高，所以結合模（mó）態分析結果可以認定模態是來源於刀具的本身。所以刀（dāo）具結構如果較為對稱，那麽能夠發現在不同的進給方（fāng）向模（mó）態的（de）幅度值比較接近。

5 、結論

綜上所述，在數控機床加工技（jì）術（shù）應用中，為了保障其切（qiē）削穩定性，應該按照整個加工中的（de）機床運行需求，對整體機床加工運行中的（de）數據進行穩定性分析，在數據穩定性（xìng）分析過程中，能夠將對應機床加工運行的穩定區（qū）域明確，這樣才能使整個機床加（jiā）工技術應用的科學性能力得到提（tí）升。

通過本文的研究和分析，將借助不（bú）同的實驗對比（bǐ）條件（jiàn），將整（zhěng）個機床加工中的（de）切削穩定區域進行分析，其對應的分析結果顯示，當 Z=-250mm、中（zhōng）間值 Z=0mm 和（hé）最高值 Z=250mm 時，整個數控機床加工中的切削穩定（dìng）性是最強的，因此，應該注重對該範（fàn）圍內的切（qiē）削參數設置，保障其整體參數設置處理應用（yòng）到現實加工生產中，能夠為數控機床加工效（xiào）率提升奠定（dìng）基礎，轉變其原有的機床加工運行效能，實現機床加工的科學（xué）性控製。

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