技術(shù)

在使用了壓電減振刀柄之后，能夠明顯地降低單刃深孔加工刀具的振動(dòng)，從而也可以在保證質(zhì)量不變的情況下大大的提高深孔鉆削時(shí)的進(jìn)給速度。壓電減振刀柄由于其在切削加工過(guò)程中很高的適應(yīng)匹配能力，為提高生產(chǎn)能力提供了一個(gè)很好的解決方案。
    深孔加工是一種加工長(zhǎng)徑比（l/d）最大可達(dá)250的加工方法。在加工長(zhǎng)徑比較大的孔時(shí)，當(dāng)切削速度達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，由于刀具特殊的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)常常會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。由此而帶來(lái)的振紋不僅影響了深孔加工的質(zhì)量，也縮短了深孔加工刀具的壽命。本文將介紹具有緩解、衰減扭振功能的壓電減振刀柄的研發(fā)和試驗(yàn)情況，以及由此而得到的生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性。
    在金屬切削加工中，例如在深孔鉆削加工中，提高進(jìn)給量以減少機(jī)動(dòng)加工工時(shí)是一個(gè)非常重要的目標(biāo)。但是，大多數(shù)情況下卻會(huì)遇到刀具和機(jī)床振動(dòng)的問(wèn)題，從而使得進(jìn)一步提高生產(chǎn)能力遇到了很大的阻力。從刀具方面來(lái)講，通過(guò)使用中心架或者跟刀架的措施來(lái)減小刀具彎曲的影響；但是迄今為止一直沒(méi)有很好的辦法來(lái)緩解扭矩要求的振動(dòng)。
    壓電式的刀柄系統(tǒng)能夠與切削加工的過(guò)程自動(dòng)匹配
    為了緩解扭振對(duì)提高生產(chǎn)能力的限制問(wèn)題，ISF切削加工研究所研發(fā)了一種壓電式刀柄裝置。由于壓電式刀柄系統(tǒng)有著很高的按照加工過(guò)程自動(dòng)匹配的性能，因此這一方案在提高深孔加工生產(chǎn)能力方面提供了很大的潛力。在這一系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中，需要能夠簡(jiǎn)單方便的集成到現(xiàn)有的機(jī)床系統(tǒng)之中的，結(jié)構(gòu)緊湊、自給自足的功能單元。
    由于自振的原因，深孔鉆削裝置的振動(dòng)頻率很大，而深孔鉆削裝置的空間大小又不能太大，無(wú)法使用一般的減振裝置、緩沖裝置。隨著減振作用處距最大振幅位置之間的距離增加，在鉆孔深度逐漸增加的時(shí)候減振作用也逐步下降。而解決這一問(wèn)題的方案就是采用一種具有扭轉(zhuǎn)特性的深孔鉆頭裝夾工具；從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)深孔鉆削刀具長(zhǎng)度上的振動(dòng)頻率恒定不變，以至于在鉆到最大深度時(shí)還能夠從振動(dòng)過(guò)程中回收一定的能量。
    研發(fā)的系統(tǒng)是一個(gè)將機(jī)床主軸和刀具連接起來(lái)的離合裝置。這種“離合器”式的結(jié)構(gòu)使得機(jī)床主軸和刀具之間的相對(duì)移動(dòng)成為可能。而對(duì)機(jī)床主軸和刀具之間相對(duì)移動(dòng)的緩沖和緩解有利于實(shí)現(xiàn)深孔鉆削過(guò)程的穩(wěn)定性。這一系統(tǒng)由兩個(gè)可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)的、相互套接在一起的“聯(lián)軸器”型零件組成。在機(jī)床、刀具各半的聯(lián)軸器圓柱形縫隙中，充滿了具有磁阻的、用于扭矩傳遞的液體（MRF）。一般情況下，是利用具有承載能力的硅油做磁阻液的；其中可磁化的金屬微粒呈散亂排列狀。在受到磁場(chǎng)作用后，這些金屬顆粒整齊的按照磁場(chǎng)磁力線的方向排列起來(lái)形成了一條“金屬鏈”。
    利用電流強(qiáng)度對(duì)減振緩沖性能進(jìn)行調(diào)節(jié)
    由于金屬鏈的形成，使得磁阻液在金屬鏈之間的流動(dòng)比較困難，磁阻液的粘度也發(fā)生了變化。這種性能可以在液態(tài)和幾乎呈固態(tài)之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。
    在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，充滿MRF磁阻液的空間中安裝有產(chǎn)生磁場(chǎng)所需的線圈。通過(guò)對(duì)電流強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)所需的壓電減振強(qiáng)度性能。而調(diào)節(jié)方式取決于不同的深孔鉆削過(guò)程。在出現(xiàn)扭矩引起的扭振時(shí)，可以在起動(dòng)和制動(dòng)兩種狀態(tài)之間調(diào)節(jié)離合連接的“軟和硬”，從而將內(nèi)部的摩擦轉(zhuǎn)化為熱量。為了采集當(dāng)前工況的數(shù)據(jù)，即采集當(dāng)前扭振振動(dòng)的數(shù)據(jù)，在深孔鉆頭的壓電式刀柄中安裝了加速度傳感器。安裝的傳感器呈180°配置，以便能夠可靠的察覺(jué)到出現(xiàn)的扭振振動(dòng)。加速度傳感器將深孔加工過(guò)程中檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線信號(hào)傳送裝置發(fā)送給檢測(cè)控制計(jì)算機(jī)，由它對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理。在檢測(cè)信號(hào)處理計(jì)算機(jī)中，會(huì)對(duì)加速度傳感器發(fā)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行過(guò)程分析。根據(jù)分析的結(jié)果，系統(tǒng)能夠自動(dòng)的對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的調(diào)整使得深孔鉆削過(guò)程更加穩(wěn)定。調(diào)整后的效果再次被加速度傳感器所監(jiān)測(cè)，從而完成了一個(gè)閉式控制循環(huán)。
    為使實(shí)現(xiàn)深孔鉆削過(guò)程穩(wěn)定性的定量化控制，這一解決方案中還研發(fā)了第二種裝夾深孔鉆頭的刀具夾持器；它同樣也具有采集鉆削過(guò)程狀態(tài)數(shù)據(jù)的功能。在這第二級(jí)刀柄中，同樣也安裝了加速度傳感器和無(wú)線數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)。利用這一壓電刀柄也按照第一種刀柄的相同切削參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)；即在一系列的扭振水平檢測(cè)試驗(yàn)中有著相同的試驗(yàn)條件。
    兩種刀柄的一系列對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)都由檢測(cè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)評(píng)判。評(píng)判的依據(jù)是傳感器檢測(cè)到的電壓數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行換算可以實(shí)現(xiàn)一系列檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比。鉆削過(guò)程的狀態(tài)用10kHz的頻率進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)傳感器、每秒鐘1組10000個(gè)數(shù)據(jù)為1個(gè)單位傳遞給數(shù)據(jù)分析軟件?；谶@些數(shù)據(jù)，F(xiàn)ast-Fourier-Transformation軟件對(duì)整個(gè)信號(hào)的自振頻率部分進(jìn)行分析。根據(jù)頻率分析的結(jié)果，可以確定某一信號(hào)是否是一個(gè)扭振信號(hào)（干擾信號(hào)），或者是單個(gè)頻率的峰值信號(hào)是否已經(jīng)得到了衰減。
    深孔鉆頭自振頻率的測(cè)定
    根據(jù)對(duì)所使用的鉆削刀具扭轉(zhuǎn)振動(dòng)自振頻率關(guān)系的分析，可以確定采集扭轉(zhuǎn)振動(dòng)強(qiáng)度非常有意義的頻率范圍。通過(guò)對(duì)扭轉(zhuǎn)曲線下不同鉆孔過(guò)程面積的計(jì)算，能夠?qū)Σ煌囼?yàn)系列的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。因?yàn)椴煌倪M(jìn)給速度下有不同的機(jī)動(dòng)工時(shí)，所以要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。
    在完成數(shù)據(jù)的評(píng)判之后，可以開(kāi)始對(duì)壓電式刀柄的使用情況按照鉆削過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)。理想情況是能夠?qū)Φ毒邐A持器傳遞的扭矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得機(jī)械系統(tǒng)有幾種變型，以便通過(guò)幾種不同等級(jí)的機(jī)械系統(tǒng)變型將自振頻率推移，從而使得深孔鉆削的過(guò)程更加穩(wěn)定。
    三種方案的試驗(yàn)驗(yàn)證
    除了上面介紹的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)衰減方案以外，還有一種減少扭振的方案就是簡(jiǎn)單的“電流減半”法，即只要發(fā)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，就把電流強(qiáng)度減少一半。但這一減半措施始終保持深孔鉆削系統(tǒng)有足夠的輸出扭矩。當(dāng)扭矩振動(dòng)消失以后，才重新回復(fù)到原來(lái)的設(shè)定值。除了電流調(diào)節(jié)的工況以外，這種壓電式刀柄還在輔助的最大電流強(qiáng)度下工作，以便能夠采集到?jīng)]有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)衰減的潛力。下面將分別介紹一下三種不同減振方案的減振效果。三種不同減振方案的檢測(cè)試驗(yàn)條件都是相同的，使用的是同一類(lèi)型的深孔加工刀具。鉆削時(shí)的切削工藝參數(shù)選用的是生產(chǎn)廠家推薦的數(shù)值，被加工材料是34CrNiMo6，材料編號(hào)為1.6582。
    通過(guò)相同切削參數(shù)下加工時(shí)序的對(duì)比，可以清楚的看到使用了壓電刀柄的減振方案明顯的衰減了深孔鉆削時(shí)的第一次扭振；即把鉆削開(kāi)始時(shí)出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幾乎全部衰減。同時(shí)，在接近鉆削過(guò)程結(jié)束時(shí)出現(xiàn)的第二次扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的范圍也明顯的衰減了。
    扭振衰減改進(jìn)最大的是采用非調(diào)節(jié)式的壓電刀柄（恒定最大電流強(qiáng)度，最大的傳遞扭矩）在切削速度為70m/mim，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.02mm時(shí)，扭振衰減率達(dá)62％。對(duì)于可調(diào)節(jié)的壓電刀柄，在切削速度為70m/mim，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量為0.03mm時(shí)的扭振衰減率可達(dá)55％。相比較，使用壓電刀柄之后在切削速度50m/min和70m/min時(shí)優(yōu)點(diǎn)最明顯。在各種進(jìn)給量情況下對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)強(qiáng)度的測(cè)試表明：在小進(jìn)給量條件下對(duì)穩(wěn)定深孔鉆削過(guò)程有著很好的作用。橫向比較得出的結(jié)果是：使用了可調(diào)節(jié)的壓電刀柄后在切削速度50m/min、進(jìn)給量0.05mm時(shí)有著比剛性刀具在進(jìn)給量0.03mm時(shí)更好的深孔加工穩(wěn)定性。由此可以得出結(jié)論：在使用壓電刀柄之后，這一深孔加工條件下的生產(chǎn)效率可以提高67％，而且不會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似刀具磨損增加、深孔加工質(zhì)量降低等不良影響。
    壓電式刀柄降低扭矩突變引起的振動(dòng)
    在使用了壓電式刀柄之后可以明顯的降低深孔加工時(shí)切削扭矩突變而引起的振動(dòng)，能夠在保證生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性的同時(shí)明顯的提高進(jìn)給量。但是，不是在所有深孔加工工況下都采用可調(diào)節(jié)的壓電刀柄能夠得到最好的效果，有些工況下采用不可調(diào)節(jié)的壓電刀柄反而更好。這一點(diǎn)也通過(guò)壓電刀柄調(diào)節(jié)、控制的程序語(yǔ)言中得到了注明，多層次的調(diào)節(jié)控制程序有著比簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)控制程序更大的提高效率的潛力。從而也提供了在付出不多的情況下得到更好的結(jié)果：深孔加工中有著更大的優(yōu)化潛力可以挖掘。（河南騰達(dá)鉆具有限公司）