振動分析是檢測加工中心性能的非常重要的一個方面，但也是目前缺失的一個方面。如果沒有在高速機床上進行過這種分析，那么機床制造廠商也許就不會知道機床究竟能做些什么？
在進行銑削加工中，因走刀情況不好而發(fā)出刺耳的難聽的聲音時，富有經(jīng)驗的機械師和NC編程員都會有所反應(yīng)。這是由于其所選用的切削參數(shù)不夠理想造成的，面對這一情況，他們就會減少某些參數(shù)。也就是說，他們將會調(diào)低某些工藝參數(shù)。
他們所降低的某些特定參數(shù)可能是切削深度，也可能是速度和進給率的組合參數(shù)，甚至是刀具的懸臂長度。不管是什么參數(shù)，“下調(diào)”是獲得較好加工性能的一個靈活策略。經(jīng)驗較為豐富的加工人員，在調(diào)節(jié)這些參數(shù)方面是非常熟練的，他們能夠?qū)⑦@些參數(shù)降低到必要的程度，以使其達到可接受的切削水平。在大多數(shù)加工車間中，采用這種降低加工參數(shù)的方法——這種折衷方案——被看作是操作人員的一種正確反應(yīng)。
然而，在高速加工中，采用這種降低加工參數(shù)的方法并不是正確的應(yīng)對措施。事實上，人們甚至發(fā)現(xiàn)這一做法是與高速加工的本質(zhì)背道而馳的。
參數(shù)本身是十分重要的，如切削深度、主軸轉(zhuǎn)速和刀具長度都會影響到加工的性能。然而，當一臺高速加工的機床發(fā)出的振顫聲，并反映出機床的加工性能表現(xiàn)不佳時，“下調(diào)”參數(shù)可能會適得其反。有許多采用高速加工中心的車間，就因此而白白浪費了他們的實際生產(chǎn)能力，最終無法達到生產(chǎn)目標。
在高速加工應(yīng)用領(lǐng)域中，為了達到更加穩(wěn)定的切削加工，很多廠家也許仍然需要采用參數(shù)“下調(diào)”的方式，但有一種更加有效的方法，即采用參數(shù)“上調(diào)”的方式。如果同時涉及到主軸轉(zhuǎn)速和刀具長度這兩個參數(shù)，那么應(yīng)付振顫的更好答案將是提高其中的某一個參數(shù)。雖然這看起來有些奇怪，但實際經(jīng)驗表明，較高的主軸轉(zhuǎn)速和較低剛性的刀具，或者只占其一，都可允許機床處理更具侵略性的切削深度，因為這些變化使系統(tǒng)的振動傾向更為和諧。凡是認識到這一點的加工車間，都能理解高速加工的真正實質(zhì)，就是在主軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，只憑直覺或經(jīng)驗是無法確定的，不同的情況下都有不同的理想切削條件?，F(xiàn)在有一個機加工車間對此十分了解，這個車間就是位于喬治亞州的WarnerRobins空軍基地的一個分部。
軍工業(yè)中的銑削加工
這個能夠進行快速反應(yīng)的車間是空軍第402維護大隊中第573產(chǎn)品維修中隊的一個分部。該加工車間的任務(wù)包括戰(zhàn)斗機和運輸機更換備件的加工，全世界凡是飛往這個基地的所有飛機的替換件，都由其負責加工。這里的維修非常頻繁，因為這些飛機需要快速地返回行動狀態(tài)，因此該車間往往需要根據(jù)有限的交貨時間要求，小批量生產(chǎn)一些復(fù)雜和關(guān)鍵的零部件。
編程員DavidDevore先生和MikeEstes先生說，最初當這一加工車間開始使用高速加工中心時，他們對此一無所知，所以當時該機床的使用效率非常低下。在使用這些機床進行加工時，刀具經(jīng)常被折斷，其中包括3/4in（1in=25.4mm）的端面銑刀。從這一車間的反應(yīng)情況來看，只能是放慢某些加工項目的切削速度。
但是，當該車間從Makino公司引進和安裝其最高達30000r/min的MAG3型高速加工中心時，他們對該機床進行了“敲擊試驗”。也就是說，該車間采用一把靈敏的錘子，像打鐘那樣擊打主軸中安裝的刀具，以測試機床的振動特性。
采用“敲擊試驗”可以找到使金屬切削速度達到最高的主軸轉(zhuǎn)速和切削深度
采用這種分析方法的目的是為了找出特定機床上使用的每一把刀具或刀柄在調(diào)試后的穩(wěn)定切割速度。在Robins公司，一旦找到了這些穩(wěn)定的參數(shù)，他們就將其使用于新的機床上，從而提高了該車間零件的加工質(zhì)量、生產(chǎn)率和刀具使用壽命，且全部指標都超過了其高速銑削加工時所達到的水平。由于差距是如此之大，因此該車間決定在其現(xiàn)有的高速機床上也進行同樣的分析試驗。在這些機床上，該車間發(fā)現(xiàn)，當其以相當高的速度運行并超過該車間以前所一直運行的速度時，許多刀具的工作更加穩(wěn)定，更富有成效并更加安全。開機后，使其速度與這些最佳參數(shù)一致，車間立即開始更安靜地工作運行，切削量增大，零件的加工質(zhì)量提高，而且刀具沒有出現(xiàn)被折斷的現(xiàn)象。
現(xiàn)在，該車間開始采用從振動分析中獲得的參數(shù)來運行高速機床。當超過一定的速度時，該車間認識到，這種分析實際上對機床實現(xiàn)全面的效益至關(guān)重要。
這其中的原因與共振頻率有關(guān)。機床、刀柄和刀具的每一種特殊組合，都有特定的穩(wěn)定速度值，從而允許機床能達到最大的切削深度和金屬切削量。緊接著還有更多的解釋，但就現(xiàn)在而言，它足以說明問題，但無法推斷這些來自于經(jīng)驗的速度值。對于Robins公司來說，也沒有切實可行方法，通過試切削來找到穩(wěn)定的參數(shù)，因為該車間經(jīng)常使用很多刀具。因此，該車間與一家外協(xié)合作單位簽訂了合同，它可以幫助該車間迅速地測量所有機床的振動，然后根據(jù)機床日常使用的每一把刀具或刀柄的組合情況，確定其最佳的速度和切削深度。
刀具儀表板
編程員說，現(xiàn)在的切削性能基本可以保持相同。尤其是車間的環(huán)境發(fā)生了很大變化，由于振顫減少，車間內(nèi)的加工環(huán)境非常安靜。而且，由于高速機床能夠以更高的速度進行深度強力切削，而且不發(fā)生刀具斷裂現(xiàn)象，因此機床具有更高的生產(chǎn)效率。況且，現(xiàn)在又能夠提供有關(guān)最佳加工參數(shù)的信息，因此編程員本身的生產(chǎn)效率也進一步提高?，F(xiàn)在提供給他們的其中一項資源就是“刀具儀表板”，它可以讓這些編程員精確地預(yù)測為某一特定銑削走刀所選定和設(shè)置的任何切削參數(shù)的特性和生產(chǎn)力。
現(xiàn)在，當其中一臺高速加工中心所使用的刀具和刀柄選定之后，就可以根據(jù)它們的情況選擇其最佳參數(shù)。事實上，根據(jù)振動分析所獲得的參數(shù)，將被自動地輸入到Catia中。當這些切削條件需要調(diào)整設(shè)置時，如切削深度可能不符合切削要求，有關(guān)參數(shù)可通過刀具儀表板進行操控，以找出另一組有效的切削條件，以排除產(chǎn)生顫振的源頭。即使是進給速度，也可以通過這種方式進行調(diào)節(jié)，即根據(jù)主軸的彎曲力矩對其進行測試。
WarnerRobins公司與BlueSwarf公司簽訂了有關(guān)進行“敲擊試驗分析”和提供包括刀具儀表板在內(nèi)的合約。BlueSwarf公司是一家專門從事機床振動分析試驗的企業(yè)。該公司向一些加工車間銷售“Metalmax”分析儀，用于車間的內(nèi)部分析，但該公司也在現(xiàn)場為那些將分析工作承包給外協(xié)單位的加工車間進行分析測量。實際測試只是簡單地敲擊在加工中心中運行的刀具，也就是說用一把靈敏的錘子擊打刀具，然后通過刀尖上的傳感器捕捉反饋信息。由于不同組合的刀具和刀柄需要分別進行測試，因此整個分析試驗可能需花費幾小時或幾天的時間。某些刀具的細節(jié)，如圓角半徑與測試結(jié)果之間沒有什么關(guān)系，因此不是每一把刀具的每一個實際數(shù)據(jù)都必須測試。盡管如此，WarnerRobins公司的加工車間仍然需要在每臺高速機床上測試45～50個刀具的設(shè)置值。
特定的速度
那么，加工中心為什么需要這么做呢？為什么加工中心在某一特定的速度或采用特定長度的刀具能夠更好的工作呢？這個答案與一個事實有關(guān)：每一個機械系統(tǒng)都帶有幾組固有的自然振動頻率，加工中心、刀柄和刀具系統(tǒng)也不例外。該系統(tǒng)具有這些自然頻率，在其切削加工時，在一定程度上，它會按照這些頻率發(fā)生振動。同時會在加工的表面上出現(xiàn)微波效應(yīng)。這些波動可能會對加工走刀產(chǎn)生輕微的影響。而且，這也可能會影響反饋機構(gòu)，對切削加工造成損害。
增加切削的深度是可能的。敲擊試驗的目的就是為了找到這些穩(wěn)定的速度
該機床在切削加工時碰到過這種表面波動的情況。這種波動會造成切削深度的變化，結(jié)果使刀具上的負荷也發(fā)生波動。這種波動往往是微不足道的，所以機床的反應(yīng)也很小。然而，在強力切削過程中，振動的程度會變得更加明顯，實際上波動本身也會產(chǎn)生驅(qū)動力。刀具的偏轉(zhuǎn)會造成更大的波紋，這將會加大切削深度中的振動程度。這種自激式振動實際上就是所謂的“振顫”。刀具的使用壽命和零件的加工質(zhì)量都會受到影響，所發(fā)出的聲音更令人難以忍受。
在主軸轉(zhuǎn)速超過約10000r/min的地方，設(shè)置了一個不同的可能性。處于較高的速度時，有可能使刀刃與工件接觸時的某一切削速度與該系統(tǒng)的自然頻率協(xié)調(diào)一致。
當這種情況發(fā)生時，機床仍然在振動著，但刀尖基本上隨著波紋而運動。此時，切削負荷是一致均衡的，切削非常順暢。對許多車間來說，這種結(jié)果是一種令人十分奇怪的現(xiàn)象，某些比速很高的主軸速度，可以允許其比較高速度或較低速度時達到更高的切削深度。
刀具的神奇特性
刀具性能的區(qū)別，揭示了高速加工方面一個更為潛在的驚人事實。當BlueSwarf公司對WarnerRobins公司最古老的高速加工中心進行敲打試驗時，它發(fā)現(xiàn)了圖7中所示的現(xiàn)象。一般來說，較短的刀具能夠更加穩(wěn)定地進行銑削加工，但并非總是如此。在這一特定的機床上，當使用兩把較長的刀具時，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)實際上能夠更加穩(wěn)定地進行工作，并可達到較大的切削深度，其刀具的調(diào)試設(shè)置如圖7所示。在這一特定的機床上，刀具的靈活性越高，其金屬切削的速度也就越高。
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