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(xué)的觀點看，高速切削系統(tǒng)是復(fù)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(yuǎn)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(yán)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(dǎo)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(yán)重阻礙高速切削技術(shù)發(fā)展和推廣應(yīng)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(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)都有與普通速度切削不同的更高要求。基于普通速度切削過程建立的動力學(xué)模型及其切削穩(wěn)定性的影響因素和約束條件的假設(shè)，在高速下已不完全成立，相應(yīng)的穩(wěn)定性極限闡值及其分析預(yù)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(dá)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(yīng)的影響是不能忽略的。當(dāng)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(yīng)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(jìn)行和獲得高材料切除率和高加工質(zhì)量的前提條件和關(guān)鍵技術(shù)之一。對于現(xiàn)有機床，可分析預(yù)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(shè)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(fēng)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(guān)、影響因素復(fù)雜的機械振動現(xiàn)象。高速切削過程中，當(dāng)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(fù)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(yán)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(yán)重降低刀具壽命，影響機床結(jié)構(gòu)及聯(lián)接特性，嚴(yán)重時使高速切削加工無法進(jìn)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(yù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jìn)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(shù)優(yōu)越和經(jīng)濟優(yōu)勢的先進(jìn)制造技術(shù)，應(yīng)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(yán)重限制高速切削加工技術(shù)發(fā)展的重要問題之一，高速切削穩(wěn)定性的分析預(yù)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(shù)的發(fā)展及其推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。

[1]張伯霖，楊慶東，陳長年等.高速切削技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社.2002.

[2]李滬曾，郭重慶.淺談高速切削加工技術(shù)的發(fā)展[J].現(xiàn)代制造工程.2004.

[3]劉永強.高速切削及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].航空精密制造技術(shù).2001.

[4]張伯霖，楊慶東.高速切削技術(shù)及應(yīng)用[J].機電工程技術(shù).2003.