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解析:利用非对称间距刀齿消除颤振

来源:荣荣网
颤振是铣削加工中一种代价高昂的老大难问题。颤振的影响可以大到足以损坏刀具,造成工件报废,甚至损坏机床。更糟的是,由于存在发生颤振的风险,可能会使机床操作人员在选择加工参数时过于保守,使机床能力不能物尽其用。
?颤振是一种自激振动,这种振动是指从主轴电机稳定输入的能量通过某种机制被转化为振动。机床产生颤振的主要机制是“振动波的正反馈放大”。从本质上讲,加工系统(包括刀具和工件)的动态刚性不足。当刀齿切削工件时,就会引发振动,振动的刀齿会在工件表面形成波纹。当下一个刀齿与波纹表面接触时,表面波纹会导致切屑厚度发生变化,变化的切屑厚度又会引起切削力变化,变化的切削力则会引起振动。

消除颤振机制的一种方式是,测试加工系统的动态特性,利用这些测试结果计算出稳定切削区域图,并在其稳定区间内选择切削条件。这种预先控制范围的策略依赖于调整刀具振动与波纹表面相互吻合,当前后波纹相互吻合时,切屑厚度不再发生变化,振动也就停止了。当相邻刀齿之间振动波的个数正好为1、2或任意整数时,在稳定性正弦曲线图上就会出现稳定区间。这种加工策略需要知道稳定速度,在允许的主轴转速范围内保持稳定速度,具有均匀分布的刀齿,并精确控制主轴转速。

另一种替代策略是通过改变刀齿间距来抑制“振动波的正反馈放大”机制。如果刀齿具有非对称(不均匀)的间距,那么,每个刀齿切削的前一刀齿留下的波纹表面都具有不同的波形,从而抑制了振动。与具有等分间距刀齿的刀具相比,刀齿间距不等的刀具通常能够实现更稳定的轴向切削深度。

然而,要获得这样的结果,需要仔细进行估算。因为进给量是恒定的,刀齿间距的变化会导致每齿进给量不同。这通常意味着,只有一个刀齿能承受全部切屑负荷,而其余的刀齿却未能满负荷切削。为此,必须减小刀具的每转有效进给量,而且,必须通过将轴向切深增大到各齿刚好平衡,使进给量的减小与之匹配。

例如,让我们考察一下刀齿均匀分布的4刃立铣刀和最稳定的轴向切深量(10mm)。刀齿按90°均布,排列方位分别为0°、90°、180°和270°。如果允许的切屑负荷(每齿进给量)为0.2mm,则每转走刀量将为0.8mm/rev。如果其中只有一个刀齿的方位变化了10°,这些刀齿的方位将在0°、100°、190°和280°。因此,刀齿的间距分别为100°(最大间距)、90°、90°和80°(最小间距)。

为了保持最大间距处的每齿进给量不超过允许的极限值,将最大间距作为控制间距。必须在等分间距刀齿进给量的基础上,按照等分间距与最大间距之比(在本例中为90°/100°)的比例,减小进给量。这样,各刀齿之间每一间距对应的切屑负荷分别为0.2mm、0.18mm、0.18mm和0.16mm。而每转进给量则为0.72mm/rev。对该刀具而言,允许的稳定轴向切深的增大量必须大于100/90的比率,这就意味着,11.1mm正好是金属去除率的临界值。一般来说,用这种方法抑制振动波正反馈放大时,为了使不等间距刀具具有应用价值,必须允许轴向切深比最大间距/等分间距之比增大一倍。

同样,改变主轴转速也可以抑制振动波的正反馈放大,但是,当主轴转动超过一圈时,刀齿间距也能有效地改变。然而,由于进给量是固定不变的,因此,最大间距仍然能够控制进给量。在实现金属去除率的任何提高之前,主轴转速的变化必须允许稳定的轴向切深比最大间距/等分间距之比增大一倍。

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