数控机床高速切削稳定性研究

数控机床高速切削稳定性研究

何霞

重庆市机械高级工学校（重庆机械技师学院）400055

摘要：随着人们对切削加工精度的不断提高，高速切削逐渐在切削加工中占主导地位，越来越多的被当今的制造企业采用，更多的应用于制造薄壁、弹性和刚度大的难加工材料方面。高速切削加工的首要条件就是稳定切削，但在实际加工过程中，往往会出现机床颤振，通常为刀具和工件之间发生剧烈振动，这样不仅会影响工件加工表面精度，生产过程产生较大的噪声，还会降低加工效率及刀具使用寿命，有时候还会导致工件报废，甚至破坏加工系统。

关键词：数控机床高速切削稳定性

颤振问题经常出现主要是因为加工过程受刀具、工件、刀柄和切削机床等加工要素影响产生振动，这样承受重载的机床高速主轴等重要部件的性能及安全性会大大降低。高速机床设备的功能和优越性将无法体现，有时候甚至会提前报废。高速加工时保持切削平稳进行、提高加工效率和改善加工质量显得尤为重要，对高速切削加工过程中振动原因与控制进行分析研究变得非常有必要。

一、高速切削技术的优点

首先，生产率显著提高。由于数控机床在高速切削时,采用较高的切削速度和进给速度,使得机床在单位时间内去除零件材料量大大提高，从而缩短了工件生产时间和生产周期,极大地提高了生产率。由此可见,高速切削不仅仅是一项切削技术,同时也能给企业带来较高的经济效益。减小热效应,延长了刀具寿命在数控机床进行高速切削加工中,由于背吃刀量较小,再加上有95%以上的切削热被切屑带走,因此大大降低了刀具和工件的温度,由此减小了加工热效应,减小了工件因切削热而产生的变形,延长了刀具寿命,为实现干切削创造了条件。提高工件精度和表面粗糙度工件的加工中因热量较少而变形小,刀具的变形也小。另外由于数控机床的主轴高速旋转,切削频率远离工艺系统的振动频率,防止了数控机床的振动,因此工件精度相对于普通切削有所提高。高速切削加工是浅加工,切削深度小,进给速度快,被加工工件表面粗糙度小,切削钢件时，Ra可达0.2到0.4,切削铝合金件时,Ra可达0.4到0.6。可以加工超薄类工件高速切削时切削力较小,又具有加工质量恒定等优点,因此可以加工出超薄类工件。如航空业中螺旋薄壁件的高速铣削等。

二、切削稳定性分析

铣削稳定性是指加工机床在切削过程中抵抗抑制自激振动（颤振）的能力。通过解析方法对动力学模型获得稳定性叶瓣图，得到主轴转速与轴向铣削深度的组合，可预测铣削稳定性边界，划分出稳定切削区与不稳定切削区。常用的方法有时域分析方法、试验分析方法和频域分析方法。时域分析方法是根据控制系统的时间响应特征值如均值、均方值、自相关函数等来分析系统的稳定性、暂态性能和稳态精度，对颤振进行初步的判断。频域分析方法是指将采集到的离散时域信号进行傅里叶变换获得信号的频谱或功率谱（PSD），根据谱值的大小，解析计算系统的稳定性边界。对铣削加工稳定性试验分析方法的直接研究较少，一般常用于上述两种分析方法的试验验证。试验分析方法是指通过刀具切削工件的一系列试验以获得稳定性叶瓣图的方法。三种方法在实施过程中各有优劣，有待进一步的优化以提高分析方法的兼容性、预测精度与运算速度。同时，应改进铣削加工系统在高速旋转切削条件下、动态模态参数更为实际的测定方法，提高加工稳定性的预测精度。由于切削加工对高速度、大进给的需求，颤振抑制措施应不局限于根据常规的针对获得的稳定性叶瓣图来选取加工参数的被动颤振抑制方法，而应设计主动控制系统，应用新型传感器材料，设计智能材料减振器，并结合现代控制理论技术，使振动控制系统具有自适应、自调节的能力，拓宽稳定性叶瓣图局限范围，获得宽泛的加工切削参数范围。加工薄壁零件时，由于工件、主轴、刀柄和机床系统都是非刚性的，当绘制稳定性叶瓣图时，应充分考虑主轴、工件系统模态对整个系统加工稳定性的影响，以保证绘制的准确性。

三、切削颤振的控制方法

切削颤振的控制方法主要分为两种类型：被动控制法和主动控制法。被动控制法主要根据获得的稳定性叶瓣图进行切削参数的调整或者设计特殊形状的切削刃及选择合适的刀具材料和加工参数，以避开不稳定切削区域。这种方法可在一定范围内解决切削过程中的颤振现象，缺点是会降低加工效率、限制切削参数的选择范围、不能最大限度地发挥先进机床设备加工的优越性；而刀具的重新设计则适应性不广，且耗费时间长、费用高。主动控制法是指在切削系统中新增附加的阻尼系统实现颤振抑制，通常的做法是提高机床系统的动态刚度，通过对机床系统的刚度和阻尼进行计算，在系统固有频率处增加阻尼而使欠阻尼系统稳定，以增大整体的刚度和阻尼，同时减少机床系统的相互支撑间隙；另外一种是通过作动器在控制信号下的输出抵消系统的输入响应。

四、数控铣床切削加工工艺的有效改进

首先，可以借助加工仿真软件对切削面面积进行准确地计算，同时还要对被切削材料切削率予以相应的计算。只有这样，进行切削的时候，才能够确保刀具载荷以及磨损率始终处于平衡，在进一步强化加工质量的同时尽可能降低刀具磨损几率。其次，数控铣床在实际切削中，刀具尽可能选择斜向下刀切入或是切出方式进行。同时，对于加工模具型腔同样要有效地规避垂直地切入与切出问题的发生。若条件允许，尽可能选择螺旋切削的方式，进而有效地降低刀具载荷量。再次，若要求对大余量零件进行加工，应借助攀爬式的方式。这种方式最突出的优势就是可以实现切削力的有效降低，确保切削硬化的程度得到适当地改善，实现切削产生热量的减少，确保零件切首发于机械知识切换模式削的实际质量得以全面增强。最后，数控铣床切削的时候，不要对刀具进给的方向进行突然地转变，否则会直接影响切削的速度，最终使切削质量明显下降，并引发残留亦或是过切的情况，严重的还会引发不可估量的安全事故。改进半精加工工艺的方式对半精加工工艺的改进，切削间距与公差值十分重要。为确保切入稳定，必须严格遵循以上顺序，尽可能规避对于刀具产生的损伤。另外，要确保切削的连续性，合理安排好加工工序，以免引发频繁退刀亦或是换刀的情况。改进清角加工工艺的方式工件表面在半精加工的基础上相对均匀，然而，凹陷型面位置加工余量仍然较大。一旦加工的余量均匀性较差，必然会影响切削的稳定性，甚至会对加工的最后精度带来直接的影响。因此，必须安排合理的清角工序以切除多余材料。改进精加工工艺的方式精加工工艺对质量与精准度的要求很高，所以必须对切削程序予以优化设计，以免出现垂直下刀与大量抬刀问题，尽可能规避损伤零件的表面。另外，在精铣的过程中，应采用顺铣的方式，以免出现滑行问题。对走刀路线的选择也应当高度重视加工变形问题，如果有必要，尽量增加走刀的次数。最重要的就是要保证走刀路线的最优化。

五、小结

随着计算机、传感器技术和加速度计等检测硬件技术的发展，对切削过程产生的振动检测、判别和抑制措施也得到快速发展。加工过程产生的振动来源于工件、刀具、刀柄、机床系统刚度的不足，采用现有加工设备进行高速切削加工时，应尽可能避开加工振动区域，以达到延长刀具寿命和提高工件表面粗糙度的目的。

参考文献：

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