技術(shù)

盡管文章中所描述的各個“新理念”成為相關(guān)研究和開發(fā)的主題至今已有一定時間，但是下面的題目依然是恰當(dāng)?shù)摹?/span>

這些理念幾乎對每個讀者都是新的。 以500,000 r/min進(jìn)行微細(xì)銑削加工 對表面位置誤差的理解 超越蠕墨鑄鐵中的速度極限

給有關(guān)手冊一只援手

這些文章是依據(jù)可接近性而排列的。第一篇文章中所介紹的研究對象，即開發(fā)一個轉(zhuǎn)速達(dá)500,000 r/min的微型主軸，可以證明是最具“野心”的一種目標(biāo)。同時它也是距離實現(xiàn)任何實用生產(chǎn)應(yīng)用最遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。通過對比，最后一篇文章中所描述的編程員的新工具代表了一種戲劇性效果較低的開發(fā)……但是它是現(xiàn)在就可以應(yīng)用的一種開發(fā)。

以500,000 r/min進(jìn)行微細(xì)銑削加工

數(shù)控技術(shù)研究者旨在開發(fā)一種可以解釋宏觀和微觀加工之間差異的主軸。

對于“微細(xì)”零部件方面的發(fā)展趨勢，看看宏觀世界就可以知道。以常規(guī)尺寸進(jìn)行制造首先用于制造靜止的目標(biāo)。只有在稍后的時間它才用來制造運動組件中的零件。類似地，微細(xì)制造也是從靜止物體開始向微型機械中的零部件發(fā)展的。

但是這些微型移動部件的設(shè)計和屬性是受到嚴(yán)格限制的。它們的生產(chǎn)如今一般涉及成層建造，即微型石版印刷術(shù)。因此材料的選擇包括硅或濺射金屬，幾何形狀限于可以通過分層堆疊而形成的2½維形狀。為什么設(shè)計者不可以用從實心鋼加工的三維幾何形狀指定微觀零件呢？

這個問題的答案主要在于速度或者說缺少速度。微細(xì)刀具需要較高的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)高效切削速度及生產(chǎn)性金屬去除率。對高效三維銑削需要多高速度所進(jìn)行的分析表明，該數(shù)值大約為500,000r/min。

對這個數(shù)字本身而言并不是很高。牙醫(yī)的牙鉆速度可以達(dá)到300,000 r/min。但是牙醫(yī)的牙鉆跳動可能達(dá)到10微米。在微細(xì)銑削中，這么高的跳動相當(dāng)于切屑厚度的10倍左右。 

.這種與牙醫(yī)的牙鉆所進(jìn)行的比較是佛羅里達(dá)州Gainesville市佛羅里達(dá)大學(xué)機床研究中心的教授John Ziegert提出來的。Ziegert博士正負(fù)責(zé)500,000 r/min主軸的設(shè)計和結(jié)構(gòu)，這種主軸將可以銑削鋼及類似金屬以形成幾百微米數(shù)量級的復(fù)雜特征。這種主軸將采用直徑為0.010英寸及以下，現(xiàn)在一般只用于諸如鋁、石墨和塑料等軟材料中加工簡單特征的刀具。

微觀與宏觀

開發(fā)主軸的大部分工作涉及調(diào)研在微細(xì)加工方面所進(jìn)行的已經(jīng)形成文獻(xiàn)資料的研究以及吸收這種早期工作所得到的教訓(xùn)。Ziegert博士說這種調(diào)研所得出的兩個重要結(jié)論說明了微觀加工和宏觀加工的區(qū)別。

首先，刀具故障模式是不同的。在常規(guī)尺寸加工中，刀具會磨損。但是在用微尺寸刀具進(jìn)行加工時，最終結(jié)果更可能是刀具破損。對小刀具而言，在發(fā)生比較明顯的刀刃磨損之前，很容易就達(dá)到其彎曲強度極限。

第二個差異是微型加工中的切屑厚度一般小于刀刃半徑。這一點與正常尺寸的加工差異很大，其中切屑的厚度比刀具的刀刃半徑要大好多倍，即使在較輕的精加工過程中也是如此。如果微型加工中切屑厚度僅僅按比例推算大小，則切削力將很容易超出刀具的彎曲強度。

切屑厚度小于刀刃半徑的結(jié)果是由微型銑刀明顯為負(fù)的前傾角決定的。有效的前傾角可能為負(fù)50度?；蛘呱踔量梢员却藬?shù)值更大。這么大的負(fù)前傾角增加了切屑產(chǎn)生的切削力，這樣就進(jìn)一步需要減少切屑厚度。所產(chǎn)生的切屑負(fù)荷如此輕，因此一個非常高的主軸轉(zhuǎn)速可以將“ipr”（轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)性的“ipm”（切削速度）。 

 Ziegert博士對這些與彎曲強度及切屑厚度有關(guān)的問題所進(jìn)行的分析，正是導(dǎo)致他得出500,000r/min的估計轉(zhuǎn)速的原因所在。

無刀夾   

佛羅里達(dá)大學(xué)設(shè)計的速度這么高的主軸采用切削刀具的刀柄做主軸的軸。而受速度不斷增加的摩擦輪的驅(qū)動，刀具會比該組件任何其它部件都轉(zhuǎn)得更快。

Ziegert博士說，沒有任何其它解決方案會使主軸達(dá)到所要求的低跳動。常規(guī)的銑削主軸采用刀夾使刀具成為主主軸的加長體。但是沒有任何刀夾夾緊機構(gòu)—彈簧夾頭、熱收縮配合—可以將微型刀具保持足夠同心，從而可以在硬金屬中進(jìn)行精確的三維銑削加工。

 相反，刀柄在客戶空氣軸承中單獨自轉(zhuǎn)。驅(qū)動摩擦輪的主軸以刀具速度的1/10左右運轉(zhuǎn)，以50,000r/min傳送0.01 Nm的轉(zhuǎn)矩

Ziegert博士說，他可以從經(jīng)驗中指出微觀和宏觀加工之間一種更根本的差異。在微觀加工中，如果不借助有關(guān)設(shè)施，人眼或人耳無法確定刀具何時已經(jīng)破損。一把在（8小時的）循環(huán)一開始就斷裂的刀具有可能不會一斷裂就被發(fā)現(xiàn)，很可能要等到8小時循環(huán)周期過后才被發(fā)覺。

因此，這種主軸另一個關(guān)鍵元件是連續(xù)監(jiān)視加工力的三軸傳感器。為了讓微型加工主軸可以高效進(jìn)行加工，需要一個安全“警衛(wèi)”來確保刀具時刻處于切削過程中。

對表面位置誤差的理解 

將轉(zhuǎn)速改變幾百r/min，刀具的有效切削半徑就可能會發(fā)生變化。 數(shù)控，機床，模具設(shè)計,數(shù)控車床，數(shù)控技術(shù)  

許多以高主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行銑削加工的車間都可以理解為什么轉(zhuǎn)速方面很少的變化可以導(dǎo)致切深的巨大改善。這種解釋與顫振、以及高速主軸在轉(zhuǎn)速范圍某些窄窄的區(qū)域發(fā)生“諧振”的趨勢有關(guān)。挑選一個對應(yīng)于這些穩(wěn)定區(qū)域之一且顫振會消失的轉(zhuǎn)速，讓刀具可以進(jìn)行較高切深加工。數(shù)

但是即使是那些對以這種方式避免顫振很熟悉的車間也會遇到相關(guān)的危險。不再顫振的刀具卻依然在振動。實際上，當(dāng)顫振消失后，刀具趨向于以甚至更高的振幅發(fā)生振動，因為低顫振主軸速度發(fā)生在系統(tǒng)本質(zhì)上趨向于振動的那些“自然頻率”上。而這種振動則有可能影響刀具的切削直徑

換言之，大量跳動可能僅僅來源于主軸轉(zhuǎn)速。以13,000r/min銑削到0.065英寸厚的薄壁，如果以14,000r/min銑削，則可能只有0.061英寸厚，因為振動在兩側(cè)增加了0.002英寸的誤差。在兩種情況下，機床、刀具及刀具路徑都是一樣的。只是主軸速度發(fā)生了變化，而僅此就足以引起加工后的表面產(chǎn)生不同的景象。這種現(xiàn)象被稱作“表面位置誤差”

誤差的避免 

這種現(xiàn)象本來一直存在，只不過是高速加工使它引起了人們的關(guān)注。上面例舉的薄壁實例是比較現(xiàn)實的，這一點有若干原因。首先，車間習(xí)慣于認(rèn)為他們自己的低顫振速度有助于為飛機行業(yè)提供服務(wù)，加工實心鋁薄壁零件。其次，實例中的誤差數(shù)量級—針對1,000r/min的轉(zhuǎn)速變化發(fā)生0.002英寸的誤差—是一種在對高速銑削代表性設(shè)備進(jìn)行的試驗中測得的典型誤差。

有一個研究機床表面位置誤差的研究者名叫Philip Bayly，他是密蘇里州的圣路易斯華盛頓大學(xué)的一名機械工程教授。Bayly博士及這里的其他人員正在開發(fā)一種稱作“時間有限元分析”的研究方法，這種方法可以同時預(yù)測穩(wěn)定性和表面位置誤差。對于主軸和刀具給定的組合，這種時間有限元分析法可以用來找出使穩(wěn)定性最高而誤差最低的最佳主軸速度。以前也可以進(jìn)行這種預(yù)測，但是時間有限元分析法卻可以進(jìn)行足夠快的計算，快得可以將分析在一天中就結(jié)合到在車間運行的軟件中。

但是即使沒有這種軟件，Bavly博士說車間也依然可以控制誤差。這種誤差的一個特征是，它趨向于發(fā)生在一個甚至比無顫振穩(wěn)定加工范圍還要更窄的轉(zhuǎn)速范圍。這意味著，簡單地通過調(diào)高/低發(fā)生誤差的速度設(shè)置，就可以避免誤差，卻依然保持無顫振。改變100或200r/min可能就足夠了。 

最重要的一步是在發(fā)生誤差時，簡單地將它識別出來。盡管將尺寸誤差歸罪于裝夾或一些其它更加熟悉的變化源比較容易，但是在嚴(yán)格控制的過程中發(fā)生故障其可能原因卻更可能是因為主軸速度引起的。   cnfnc 中國數(shù)控之家

 

超越蠕墨鑄鐵中的轉(zhuǎn)速極限

但是如果刀具的切削行為發(fā)生改變，那么確實可以實現(xiàn)更快的切削。  

在過去多年的時間里，（位于密執(zhí)安州Chesterfield市的）Cincinnati Lamb公司的研究者們已經(jīng)通過采用回轉(zhuǎn)刀片式刀具在加工蠕墨鑄鐵的銑削效率方面取得了巨大改善。在回轉(zhuǎn)刀片式刀具中，每個切削刀片都安裝在一個軸承上，因此刀片可以自由自轉(zhuǎn)。利用這種刀具設(shè)計，該公司已經(jīng)在蠕墨鑄鐵加工中實現(xiàn)了超出3,000平方英寸/分鐘的速度，而采用相同的陶瓷刀片材料在比較常規(guī)的刀體上卻被限于較慢的轉(zhuǎn)速。刀具壽命也發(fā)生了成正比的改善。

Cincinnati Lamb公司工程經(jīng)理George Georgiou指出，這種刀具工作的方式與19世紀(jì)以來所采用的金屬加工方式不同。對于標(biāo)準(zhǔn)銑刀，加工涉及給工件材料施加過強的力量以剪切掉切屑，讓能量損失轉(zhuǎn)換成熱?；剞D(zhuǎn)刀片式刀具增加了該過程刀片的回轉(zhuǎn)，因此某些能量花費在驅(qū)動回轉(zhuǎn)方面。降低切削中的熱量可以保護(hù)刀具，并改善其性能。  

刀具設(shè)計本身不是一種新技術(shù)?；剞D(zhuǎn)刀片式刀具已經(jīng)問世很長時間，在某些場合用于加工灰鑄鐵，延長刀具壽命。但是，對于大多數(shù)零件，這種刀具設(shè)計已經(jīng)成了試圖發(fā)現(xiàn)某個問題的一種解決方案。配備精密軸承的刀體其成本一般無法通過刀具可以提供的工藝改善而帶來的價值加以抵消。但在蠕墨鑄鐵中所帶來的改善程度卻是一個例外。更高功率  

Georgiou先生說，Cincinnati Lamb公司及其它金屬加工供應(yīng)商當(dāng)前給予蠕墨鑄鐵的關(guān)注直接與柴油發(fā)動機的生產(chǎn)量提高有關(guān)。各種汽車制造商都設(shè)想重新給美國客車市場推出柴油發(fā)動機，因為這種發(fā)動機結(jié)構(gòu)在燃料方面具有更高的經(jīng)濟性。而蠕墨鑄鐵使得燃料方面的經(jīng)濟性甚至更高。與灰鑄鐵相比，用蠕墨鑄鐵制成的發(fā)動機能以更小的體積提供相同的功率。

這種材料所具備的高強度使得這一點成為可能，但是同樣是這種特征使得該材料很難加工。由于需要較高的力，因此Cincinnati Lamb公司在切削蠕墨鑄鐵方面所取得的成功不僅依賴于回轉(zhuǎn)刀片式刀具，同時還歸功于高功率、高剛性的機床。

公司如今的目標(biāo)是改善回轉(zhuǎn)刀片式刀具的結(jié)構(gòu)。這一點被看作是實現(xiàn)更加實用的蠕墨鑄鐵銑削過程所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。軸承套筒給刀具帶來了一種全新的磨損元件，因此對這種套筒的新結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗的工程師們將目標(biāo)放在取得更長和更加一致的使用壽命上。同時，工程師們正努力降低刀具的最小尺寸。當(dāng)前的回轉(zhuǎn)刀片式刀具可以加工直徑小至3英寸的孔。Cincinnati Lamb公司希望將該極限至少降低到2英寸。

所有針對回轉(zhuǎn)刀片式刀具的改善提出的一個希望是，它將不僅導(dǎo)致在汽車行業(yè)盈利，同時在其它應(yīng)用中也如此。Georgiou先生說：“沒有任何理論方面的理由表明這種概念無法用于鈦、鉻鎳鐵合金、耐高熱鎳基合金、金屬矩陣復(fù)合材料以及過去很難加工的其它材料。”