不受欢迎的振动声

来源:荣格国际金属加工商情

发布时间:2019年4月9日下午 06:04:56

夹具的好坏对金属切削机床可以达到的切削功率,可以实现的切削性能有着很大的影响。在 振动原因分析以及采取减振措施时都必须从整体角度考虑问题,并将重点放在所有零部件的刚度和减振阻尼性能方面。

切削机床主轴在振动频率在 150Hz 至 900Hz 之间,超过了机床床身部件的振动频率。在 HSC 高速电主轴加工中,这种振动对机床 设备的加工精度和刀具耐用度有着非常重大的影响。

金属切削加工机床的动态性能对刀具的耐用度和最终生产出的零件的性能有着决定性的作用和意义。如 果机床设备制造商都利用现代化的分析技术和实验 方法对其研发生产的金属切削机床进行了测试,便可省去机床使用者在加工设备的调试和磨合这一阶段的时间了。反之则会导致加工机床的质量下降、不能保证按期完成调试甚至导致延期供货。对不同夹具系统深刻的理解,在机床设备规划设计时考虑夹具系统的作用和影响可以有效地减少在设备调试中可能出现的意外情况。

特定频率的振动

在金属切削加工机床设备的动态性能分析时,我们通常将振动频率划分为不同的频率范围,不同的机床零部件产生的振动频率不同。振动频率在至 20Hz 以内是由地基和垫铁、 地脚螺丝等设备安装元器件引起的振动;振动频率在 20Hz 至 200Hz 之间是由床身引起的振动;而机床主轴的频率则在 150Hz 至 900Hz 之间。

刀具夹持器、刀具或者工件产生的振动常常出现在数千 Hz 的频率范围内。但由于它们的结构 – 例如长度比会使它们的振动频率比平常低许多,例如不到 100Hz。

在有确定几何形状工件的切削加工中,不同的切削方式产生的振动频率也不同。在钻削、铣削加工中,通常根据切削加工所要求的扭矩(在相对较低的扭矩时)采用电动机主轴或者(在要求的扭矩相对较高时)使用变速箱主轴来传递切削动力。

车削时的振动

车削时夹持和更换刀具的装置通常是转塔刀架。此外, 刀具弹性系统还包括车床和车削加工中心等设备。弹性系统中的各个刀具、零件以及它们之间的连接接口的不同状态是产生不同振动频率的原因。

液压夹头、弹簧夹头和锁紧套筒等类型的刀具夹持装置能够在夹紧刀具时起到定心的作用,而采用径向锁紧螺钉结构的刀具夹持装置则会因径向锁紧螺钉而使刀具中心偏离主轴中 心。锁紧套筒常常利用刀具的整个夹持长度来夹紧刀具。而液压卡盘夹持刀具时则相反:由于夹持区域内的液压油腔极容易使刀具弯曲。

工件的夹持状况和工件的几何形状对切削时的产生的振 动有着极大的影响。例如,同一规格立铣刀在不同长度液压 夹头夹持下会呈现的不同状态。在夹持长度和测量位置相同的情况下,刀杆长度最短的和长度为 50mm 的刀具弯曲是引起共振的主要因素;而长度 100mm 和 150mm 的刀杆中,刀 杆(520Hz 及 670Hz)的弯扭振动则是主要振动。

随着刀杆长度的增加刀具系统的静态刚性明显降低。较短的刀杆允许刀具使用最大的切削量进行切削,而较长的刀 杆则只能在较低的切削量时才能实现稳定的切削加工。因此, 只有在工艺过程受到限制的情况下,例如在铣削深槽时才能使用长度尺寸较大的铣刀刀杆。

刀杆长度较长时除了产生谐振之外还会产生阻尼。这是因为两种长刀杆的振动波形不同。

正如现代车床常见的那样,车床中经常使用转塔刀架来安装和更换车刀。转塔刀架能够在最短的时间内完成有限数量车刀的快速换刀。除了 VDI 标准、HSK 标准和 Capto 标准 的车刀刀柄之外,车床中还有一些生产厂家自制的专用规格的车刀刀柄,例如强力主轴使用的自驱式刀具。

与采用自动换刀电主轴的车削加工中心不同,利用转塔刀架 的车床只能手动换刀。在使用转塔刀架时刀具可以直接安装在转塔刀架的锥孔或者刀架中进行切削。

此时,车刀的刀体装夹在整体的刀架中,长条形的刀具则用 刀夹固定。实践经验告诉我们:刀具的悬伸长度越短越好。这里 也可以观察到与铣刀装夹类似的情况:随着刀杆长度的增加自振频率降低、振动增强。

在车削时也应像铣削一样从刀具系统的整体来考虑问题:尽管车刀刀杆的长度较短,如果转塔底盘的刚性较差也会出现高频振动。在这种高频振动中,整个转塔底盘作为一个整体“薄片” 在振动,车削刀具也按照这一频率随着转塔底盘一起振动。而且 振动的频率随刀具的质量而变化。

铣削时的振动

分析一下直径 63 毫米的 5 刃可换刀片铣刀的切削力的曲线就可以知道:铣刀整体进入切削区域时首先发生的是稳定性很好的铣削。切削力信号的时间分辨率越高,就越可以清楚的反应每 一个切削刃切入时产生的振动。

在出现振动时,铣削过程在很短的时间内过渡到一个不稳定的切削过程中去。振动的固有频率充分的证明了这一点。在几个振动周期内切削力时间信号的频率在不断变化。由铣刀结构所决定的阻尼和由振动而产生的阻尼不再能够抵消铣削过程的振动了。

频率较低时(大约 200Hz)的振动常常是所谓的“刀架固有 振动”。振动频率较高时的刀具振动与多个(大约 10 至 30)振动周期内的阻尼衰减有关。

抑制振动的种种方法

为了抑制振动的趋势,人们努力研究减少振动、克服振动的技术措施。例如,除了使用长悬臂刀具等辅助质量系统之外还利 用粉末来减少摩擦、提高减振性能。使用辅助质量阻尼器也可以有效地调节辅助质量,明显的减少振动趋势。

我们对多种添加在不同刀具夹持器中的粉末进行了尝试试验。在选择性激光烧结制成的刀具夹持器中加入了不同的金属粉末、沙子、铁屑。激光烧结的试验样件在加入上述粉末时并没有太多的良好表现,这可能是因为充填的粉末物质过于紧实。

另一个试验样件在自由状态下使用技术粉末时产生了良好的减振阻尼效果。这一试验结果在刀具处于夹紧状态时表现的不明显。孔的深度越深,对固有振动的阻尼衰减作用就越不明显。除 了填充金属粉末之外我们还尝试填充了微细的切屑进行减振阻尼试验。然而,不同的充填物都没有实现提高刀具切削性能的目的。

小结

根据我们的试验可以得知:切削刀具的夹持器对稳定地提高 切削性能有着明显的作用和意义。但始终要将刀具夹持系统作为 一个整体来考虑问题。即便是在分析振动原因和制定有效的减振措施时,也要将所有切削过程中的所有零部件都考虑进去才行。 而且始终要考虑、分析所有刀具夹持系统所有零部件的刚性和减振阻尼作用。

 

 

□ 本文译自德国 Werkstatt und Betrieb 杂志

作者:Paul Helmut Nebeling

Tell A Friend

评论

Image CAPTCHA