淺議機床高速切削加工

孫永革

（齊重數(shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

把高速切削機床、刀具、工件、夾具結(jié)構(gòu)和切削過程統(tǒng)稱為高速切削系統(tǒng)。從動力學的觀點看，高速切削系統(tǒng)是復雜的動態(tài)系統(tǒng)。隨著切削速度的提高，高速切削加工過程表現(xiàn)出的動態(tài)特性與普通速度切削有很大不同。人們提高切削速度所遇到的難以逾越的障礙除了刀具的快速磨損、破損失效外，是在切削速度遠低于機床最大速度時就出現(xiàn)強烈振動，即不穩(wěn)定切削，輕者影響加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)效率，重者工件報廢并殃及整個加工系統(tǒng)的安全壽命，致使機床不得不低速使用，不僅造成巨大浪費，無法體現(xiàn)高速切削加工所固有的優(yōu)越性，更嚴重的是高速主軸等重要部件因長期承受重載而降低其性能及安全性，導致重金購置的機床尚未發(fā)揮其功能和優(yōu)越性就提前報廢。高速切削過程中的振動對高速切削優(yōu)越性的發(fā)揮造成了很大的掣肘，成為嚴重阻礙高速切削技術發(fā)展和推廣應用的"瓶頸"問題。毫無疑問，高速切削所具有的諸多優(yōu)越性一方面是很好地利用了高速切削系統(tǒng)動態(tài)特性的結(jié)果，另一方面，又必須是以高速條件下的穩(wěn)定高速切削過程的實現(xiàn)為前提的。

高速切削過程中，振動機理、影響切削穩(wěn)定性的因素與普通速度切削過程不同，隨著切削速度的提高，振動導致的不穩(wěn)定切削造成的影響和危害也大的多，高速切削系統(tǒng)的動態(tài)特性，對各項關鍵技術都有與普通速度切削不同的更高要求?；谄胀ㄋ俣惹邢鬟^程建立的動力學模型及其切削穩(wěn)定性的影響因素和約束條件的假設，在高速下已不完全成立，相應的穩(wěn)定性極限闡值及其分析預測方法也不同。如，高速和超高速銑削時，主軸-刀具系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速高達每分鐘幾萬、十幾萬轉(zhuǎn)甚至更高，主軸-刀具旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動態(tài)特性(固有頻率、振型、頻響函數(shù)等)隨著轉(zhuǎn)速提高有不同程度的變化，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和陀螺效應的影響是不能忽略的。當主軸的工作轉(zhuǎn)速n高于系統(tǒng)的第1階甚至更高階固有頻率對應的臨界轉(zhuǎn)速，成為柔性轉(zhuǎn)子，刀具與工件間動態(tài)切削力的激勵頻率f=n*z(z為刀具齒數(shù))隨轉(zhuǎn)速增加而提高，需考慮多自由度系統(tǒng)高階動態(tài)特性及其對高速切削穩(wěn)定性的影響。

穩(wěn)定切削是保證高速切削加工順利進行和獲得高材料切除率和高加工質(zhì)量的前提條件和關鍵技術之一。對于現(xiàn)有機床，可分析預測不同刀具、工件及其夾具組合下的高速切削極限，優(yōu)化刀具、工件及其夾具的匹配和高速切削用量的選擇，在不增加任何附加設備和投資的條件下大幅度提高材料切除率和加工質(zhì)量；對新型機床和刀具，以最低的成本和風險實現(xiàn)無振動穩(wěn)定切削條件下的高加工質(zhì)量和高生產(chǎn)效率。

高速切削過程的振動，是與機床結(jié)構(gòu)和切削過程的動態(tài)特性密切相關、影響因素復雜的機械振動現(xiàn)象。高速切削過程中，當機床切削系統(tǒng)受到偶然因素干擾而產(chǎn)生的振動經(jīng)過短暫的時間就消失，恢復到原來的平衡狀態(tài)的切削過程稱為穩(wěn)定切削;若振動不衰減，或越來越大的切削過程稱為不穩(wěn)定切削。高速切削過程從無振動的穩(wěn)定切削到振動產(chǎn)生的不穩(wěn)定切削之間存在的一個明顯界限即臨界條件，稱為穩(wěn)定性極限，是判別高速切削穩(wěn)定性的依據(jù)。要實現(xiàn)無振動穩(wěn)定切削，首先要判斷系統(tǒng)在什么情況下出現(xiàn)振動，即根據(jù)穩(wěn)定切削臨界條件判別穩(wěn)定和不穩(wěn)定高速切削區(qū)域。高速切削過程中的振動按其性質(zhì)一般可以分為強迫振動、自激振動、自由振動、強迫振動和自激振動同時存在的混合振動、隨機振動五大類，其中前四類都對高速切削穩(wěn)定性有很大影響，影響最大的是自激振動。

刀具相對于加工工件的振動會使加工表面產(chǎn)生振痕，嚴重影響加工表面質(zhì)量，如表面粗糙度、形位精度等；刀具相對于工件劇烈振動使高速切削過程呈不穩(wěn)定狀態(tài)，切削截面、角度以及切削力等均將隨之發(fā)生劇烈變化，高速切削系統(tǒng)的各部分承受附加動載荷的作用，加重刀具磨損，甚至產(chǎn)生崩刃，嚴重降低刀具壽命，影響機床結(jié)構(gòu)及聯(lián)接特性，嚴重時使高速切削加工無法進行，降低整個機床系統(tǒng)的安全使用壽命；高速切削過程中發(fā)生的高頻振動，會伴隨產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者的身心健康;實際生產(chǎn)中為避免或減小振動，不得不降低切削用量，致使機床低速、低效使用，出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，使機床、刀具的性能得不到充分發(fā)揮。

高速切削穩(wěn)定性的分析預測和優(yōu)化的目的是提高材料切除率和加工質(zhì)量，而高加工質(zhì)量的保證是穩(wěn)定切削，在穩(wěn)定切削的前提下，材料切除率越高越好，即在其它切削參數(shù)一定的條件下轉(zhuǎn)速n與對應的穩(wěn)定切削軸向深度極限值的乘積越大越好，對于不同的加工中心，主要對應于其最大主軸轉(zhuǎn)速附近的區(qū)域是否處在穩(wěn)定區(qū)以及相應的穩(wěn)定軸向切削深度極限值的大小。因此，對于不同的高速加工中心，主要用其最大主軸轉(zhuǎn)速附近區(qū)域的是否處在穩(wěn)定區(qū)以及穩(wěn)定區(qū)域的最大值的大小來評價穩(wěn)定性。

對于特定的加工中心，繪出不同切削下的穩(wěn)定性極限圖，可確定出在最大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大值。選擇高速切削用量時，在符合加工工藝要求的前提下，用所選的切削用量與加工中心的轉(zhuǎn)速、最大值進行切削穩(wěn)定性的分析評價。

高速切削加工是具有突出技術優(yōu)越和經(jīng)濟優(yōu)勢的先進制造技術，應用前景十分廣闊。高速切削過程的振動造成的不穩(wěn)定切削是嚴重限制高速切削加工技術發(fā)展的重要問題之一，高速切削穩(wěn)定性的分析預測及其動態(tài)優(yōu)化理論與方法的研究對于加速高速切削加工技術的發(fā)展及其推廣應用具有十分重要的意義。

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