摘要：振動分析是（shì）檢（jiǎn）測加工中心性能的非常重要的一個方麵，但也是目前缺失的一個方麵。如（rú）果沒有在高速機床上進行過這種分析，那麽機床製造廠商也許就不會知道機床究（jiū）竟能做些什麽（me）。
　　
　　在進行銑削加工中，因（yīn）走刀情（qíng）況不好而發出刺耳的難聽的聲音時，富有經驗的機械師和NC編程員都會有所反應。這是由於其所選用的（de）切削參數不夠理想造成的，麵對這一情況，他們就會減少（shǎo）某些參數。也（yě）就是說，他們將會調低某（mǒu）些工藝參數。
　　
　　他們所降低的某些（xiē）特定參（cān）數可能（néng）是切削深度，也可能是速度和進給率的組合參數，甚至是刀具的懸臂長度。不管是什麽參數，“下調”是獲得較好加工性能的一個靈活策略。經驗較為豐富的加工人員，在（zài）調節這些參數（shù）方麵是非常熟練的，他們能夠將這些參數降低到（dào）必（bì）要的程度（dù），以使其達到可接受的切削水平。在大多數（shù）加工車間中，采用（yòng）這種降低加工參數的方法——這種（zhǒng）折衷方案——被看作（zuò）是操作人（rén）員的一種正確反應。
　　
　　然而，在高速加工中，采用這種降低加工參數的方（fāng）法並不是（shì）正確的（de）應（yīng）對（duì）措施。事實上，人們甚（shèn）至發現這一做法是與高速加工的本質（zhì）背道而馳（chí）的。
　　
　　參數本（běn）身是十分重要的，如（rú）切削深度、主軸轉速和刀具（jù）長度都會影響（xiǎng）到加工的性能。然而，當一台高速加工的（de）機床發出的振顫聲，並反映出機床的加工性能表現（xiàn）不佳時（shí），“下調”參數可能會適（shì）得其反。有許多（duō）采用高速加工中（zhōng）心的車間，就因此而白（bái）白浪費了他們的實（shí）際生產能（néng）力，最終（zhōng）無法（fǎ）達到生產目標。
　　
　　在高速加工應用領域中，為了達到更加穩定的切削加工，很多廠家也許仍然需要采用參數“下調”的方式，但有一種更加有效的方法，即采用（yòng）參數“上調”的方式。如果同時（shí）涉及到主軸轉速和刀具長（zhǎng）度這兩個參數，那麽應付振顫（chàn）的更好答案將是提高其中的某（mǒu）一個參數。雖然這（zhè）看起來有些奇怪，但實際經驗表明，較（jiào）高的主軸（zhóu）轉速（sù）和較低剛性的刀具，或者隻占其一，都可允（yǔn）許機（jī）床處（chù）理更具侵略性的切削深度（dù），因為這些變化使係統的振動傾向更為和諧。凡是認識到這一點的加工車間（jiān），都能理解（jiě）高速加工的真正（zhèng）實質，就是在主軸轉速範圍內工作，隻憑直覺或經驗（yàn）是無法確定的，不（bú）同的（de）情況下都有不同的理（lǐ）想（xiǎng）切削（xuē）條件。現（xiàn）在有一個機加工車間對此十分（fèn）了解，這個（gè）車間（jiān）就是位於喬治亞州的（de）WarnerRobins空軍基地的（de）一個分部。
　　
　　軍工業中的銑削加工
　　
　　這個能夠進行（háng）快速（sù）反應（yīng）的車間是空軍第402維護大隊中第573產（chǎn）品維修中隊的一個分部。該加工車間的任務包括戰鬥機和運輸機更換備件的（de）加工，全世界凡是（shì）飛往（wǎng）這個基地的所（suǒ）有飛機（jī）的替換件，都（dōu）由其（qí）負責加工（gōng）。這裏的（de）維修非常頻繁，因為這些飛機需要快速地（dì）返回（huí）行動狀態，因此該車間往往需要根據有限的（de）交貨時間要求，小批量生產（chǎn）一些複（fù）雜和關鍵的零部件。
　　
　　編程員DavidDevore先生和MikeEstes先生說，最初當這一加工車間開始使用高速加工中心時，他們對此一無（wú）所知，所以當時該機床的使（shǐ）用效率非常低下。在使用（yòng）這些機床進行加工時，刀具經常被折斷（duàn），其中包（bāo）括3/4in（1in=25.4mm）的端麵銑刀。從這一車間的反應（yīng）情況來看（kàn），隻能是放慢某些加工項（xiàng）目的切削速度。
　　
　　WarnerRobins公司的加工車間，在購置其最高（gāo）轉速的高速機床（chuáng）後，開始調研采用（yòng）共（gòng）振頻率的銑（xǐ）削（xuē）加工情況
　　
　　但是（shì），當該車間從Makino公司引進和安裝（zhuāng）其最高達（dá）30000r/min的MAG3型高速加工中心時，他們對該機（jī）床進行了“敲擊試驗”。也就是（shì）說，該（gāi）車間采用一把靈敏的錘子，像打鍾那樣擊打主軸中安裝的刀具，以測試機床的振動特性。
　　
　　對於一種特定組合的加工中心（xīn）、刀柄和銑刀，采用“敲擊試驗”可以（yǐ）找（zhǎo）到使金屬（shǔ）切削（xuē）速度達到最高的主軸轉速和切（qiē）削（xuē）深度采用這（zhè）種分（fèn）析方（fāng）法的目的是為了找出特定機床上使用的每一把刀具或刀柄在調試後的穩定切割速度。在Robins公司（sī），一旦找到了這些穩定的參（cān）數，他們就將其使用於新的（de）機床上，從而提（tí）高（gāo）了該車間零件的加（jiā）工質量、生產率和刀具使用（yòng）壽命，且全部指標都超過了其高速銑削加工時所（suǒ）達到（dào）的水平。由於（yú）差距（jù）是如此之大，因此（cǐ）該車間決（jué）定在其現有的高速機床上也進（jìn）行同樣的分析試驗（yàn）。在這些機床上，該車間發現，當其以相當高的（de）速度運行（háng）並（bìng）超（chāo）過該車間以前所一直運行的速度時，許（xǔ）多（duō）刀（dāo）具的工作更加穩定，更（gèng）富有成效並更加安全。開機後，使其速度與這些（xiē）最（zuì）佳參數一（yī）致，車（chē）間立即開始更安靜地工作運（yùn）行，切削量增大，零件（jiàn）的（de）加工質量提高，而且刀具沒有出現被折斷的現象（xiàng）。
　　
　　WarnerRobinsAirForceBase空（kōng）軍基地是為貨（huò）運飛機和（hé）戰（zhàn）鬥機提供（gòng）服務的。
　　
　　該機加工車間支持這一使命的（de）執行
　　
　　現（xiàn）在，該車間（jiān）開始采用從振動分析中（zhōng）獲得的參數來運（yùn）行高速（sù）機床。當（dāng）超過一定的速度時，該車間（jiān）認識到，這種分析實際上對機床實現全麵的（de）效益至關重要。
　　
　　這其中的原因與共振頻率有（yǒu）關。機床、刀柄和刀具的每一種特殊組合（hé），都有特定的穩定（dìng）速度值，從而允許機床能達到最大的切削深度（dù）和金屬切削量（liàng）。緊接著還有更多的解（jiě）釋，但就現在（zài）而言（yán），它足以說明問（wèn）題，但無法推斷（duàn）這些來（lái）自於經驗（yàn）的速度值。對於Robins公司來說，也（yě）沒有切實可行方法，通過試切削來找（zhǎo）到穩定的參數，因為該車間經常使用很多刀（dāo）具（jù）。因（yīn）此，該車間與一（yī）家外協（xié）合作單位簽訂了（le）合同，它可以幫助該車間迅速地測量所有機床的振動，然後根據機床（chuáng）日常使用的每一把刀具或刀柄的組合情況，確定（dìng）其（qí）最佳的速度和切削深度。
　　
　　刀具儀表板
　　
　　編（biān）程員說，現在的切削性（xìng）能基本可以保（bǎo）持相同。尤其是車間的環（huán）境（jìng）發生了（le）很大變化，由於振顫減少，車間內的加工環境（jìng）非常（cháng）安靜。而且，由於高速機床能夠以更高的（de）速度進行深度強力切削，而且不發生刀具斷裂現象，因此機床具有更高的生產效率。況且，現（xiàn）在又能夠提供有關（guān）最（zuì）佳加工參數的信息，因此編程員（yuán）本身的生產（chǎn）效率也進一步提高。現在（zài）提供給他們的其中一項資源就是“刀具儀表（biǎo）板”，它可以讓這些編程員精確地預測為某一（yī）特定銑（xǐ）削走刀所選定和設置的任何（hé）切削參數的特性（xìng）和生產力。
　　
　　從這（zhè）裏（lǐ）可以看到技術人（rén）員正在（zài）將一個新加工的部件安裝到飛機的機翼上現在，當其中一台高速加工中心所使用的刀具（jù）和刀（dāo）柄選定之後，就可以根據它們（men）的情況選擇其（qí）最佳參數。事實上，根據（jù）振動分析所獲得的參數，將被自動地輸入到Catia中。當這些切削（xuē）條件需要調整設置時，如切削深度可能不（bú）符合切削要求，有關參數可通過刀具儀表板進行操控，以找出另一組有（yǒu）效的（de）切削條（tiáo）件，以排除產生顫振的源頭。即使是進（jìn）給速度，也可以通過這種方式進行調節（jiē），即根據主軸的彎（wān）曲力矩對（duì）其進行測試。
　　
　　在刀具儀（yí）表板的“轉速”表上，綠色區域代表這一特定刀具的穩定切（qiē）削區域。
　　
　　該刀具儀表板可使編程員很容易地操控速度、切削深度和切削負荷，並可根據機床的動態變化情況，預測這些變化的影響
　　
　　WarnerRobins公司與BlueSwarf公司（sī）簽訂了有關進（jìn）行“敲擊試驗分析”和提供包括刀具儀表板（bǎn）在內的合約。BlueSwarf公司（sī）是一家專門從事機床振動分析試驗的企業。該公司向一些加工車間銷售“Metalmax”分析儀，用於（yú）車間的內部分析，但（dàn）該公司也在現場為那些將分析工作承（chéng）包給外協單位的加工車（chē）間進行分析測量（liàng）。實際測試隻是簡單地敲擊在加工中心中運行的刀具，也就是說用一把靈敏的錘子擊打刀具，然後通過刀尖上的傳感器捕捉反饋信息。由於不同組合的刀具和（hé）刀柄（bǐng）需要分別（bié）進行測試，因此整個分析試驗可能需花費（fèi）幾小時或（huò）幾天的時間（jiān）。某些刀具的細節，如圓角半徑與測試結果之間沒有什麽關係，因此（cǐ）不是每一把刀具的（de）每一個實際數據都必須測試。盡管如此，WarnerRobins公司（sī）的加工（gōng）車間仍然需要在每台高速機床上測試45～50個刀具的設置值。
　　
　　特定的速度
　　
　　那麽，加工中心為什（shí）麽需要這麽（me）做（zuò）呢？為什麽（me）加工中心在（zài）某一特定的速度或采用特定長（zhǎng）度的（de）刀具能夠更好的工作呢？這個答案與一個事實有關（guān）：每（měi）一個機械係統都帶（dài）有幾組固有的自然振動頻率，加工（gōng）中心、刀柄和刀具係統也不例外。該係統具有這些自然頻率，在其（qí）切（qiē）削（xuē）加工時，在（zài）一定程度上，它會按照這些頻率發生振動。同時會在加工的表麵上出現微波效應。這（zhè）些波動可能會對加工走刀產生輕微的影響（xiǎng）。而且，這也可能（néng）會影響反饋機構，對切削加工造成損害（hài）。
　　
　　這（zhè）個穩定性圖例表明，在整個速度範圍內，在特定狹窄的主軸轉速帶範圍內，增加切削的深度是可能（néng）的（de）。敲（qiāo）擊（jī）試驗的目的就是為了找到這些穩定的速度（dù）該機床在切削加工時碰到過這種表麵波動的（de）情況。這種波動會造成切削深度的（de）變化，結果使刀具上的負荷也（yě）發（fā）生波動。這種波動往往是微不足道的，所以機床的反應也很小。然而，在強力切削過程中，振動的程度會變得更加明顯，實際上波動本身也會產生驅動力。刀具的偏轉會造（zào）成更大的（de）波（bō）紋，這將會加（jiā）大切削深度中的振動（dòng）程度。這種自激式振動實際上就是所謂的“振顫（chàn）”。刀（dāo）具的使用壽命和零件（jiàn）的加工質量都（dōu）會受到影響，所發出的聲音更（gèng）令人難以忍受（shòu）。
　　
　　在（zài）主軸轉速超過約10000r/min的地方，設置了一個不同的可能性。處於較（jiào）高的速度時，有可能使刀刃與工件接觸時的某一切削（xuē）速度與該係統（tǒng）的自（zì）然頻率協調一致。
　　
　　當這種情況發生（shēng）時，機床仍然在振動著，但刀尖基本上隨著波（bō）紋而運動。此（cǐ）時（shí），切削負荷（hé）是一致均衡的，切削（xuē）非常順暢。對許（xǔ）多車間來說，這種（zhǒng）結果是（shì）一種（zhǒng）令人十分奇怪的現象，某些（xiē）比（bǐ）速很高的主軸速度，可以允許其比較高速度或較低速度時達到更高的切削深度。
　　
　　就可說明這（zhè）一問題。從這裏看到的整個主軸轉速範圍內，峰值表示這一特定的機床和刀具設置（zhì）所能夠達到的更高生產（chǎn）切削效率。帶有交叉陰影線的（de）區域表示發生顫振的地方。因此，當轉速為17792r/min時，進行特（tè）大切削深度的穩（wěn）定切削加工是可能的，如果機床的運行速度略高於或（huò）略低於這一數值，那麽即使沒有達到同樣水平的強力銑削也是可能的。實際上，凡（fán）是不了解這一神奇（qí）速度的加工車間，就不會知（zhī）道其加工中心究竟能（néng）做些什麽事情。
　　
　　在上述照片中，計算（suàn）機顯示了（le）兩把（bǎ）刀具的（de）試驗情況，該試驗最初是在Robins公司的車間內進行的，僅僅在經過（guò）幾分鍾試（shì）驗以後（hòu），就可以看出兩把刀具的不同性能。紅色的峰值表示采用較短刀具所可（kě）能（néng）達到的切削深度，而其背後的藍色峰（fēng）值則表示采用較長刀具所允許達到的較大切削深度事實（shí）上，加工車間可能也不知道其刀具究竟可以做些什麽事情。
　　
　　刀具（jù）的神奇（qí）特性
　　
　　刀具性能的區別，揭示了高速加工方麵一（yī）個更為潛在的驚人事實。當BlueSwarf公（gōng）司對WarnerRobins公司最古老的高速加工中心進行敲打試驗時，它發現（xiàn）了中所示的現象。一般來說，較短的刀具能夠更加穩定地進行銑削（xuē）加工，但並（bìng）非總（zǒng）是如此。在這（zhè）一特定的機（jī）床上，當使用兩（liǎng）把較長的刀具時，發現（xiàn）該係統實際上能夠更加穩定地進行工作，並可達到較（jiào）大的切削深度，其刀（dāo）具（jù）的調試設置如所示。在這一特定的機床上，刀具的靈活性越高，其金屬切削的速度也就越高。
　　
　　這家車間已使用該機床多年，該機床的工作性能良好，當然有關的信息提（tí）供了很大幫助（zhù）。多年來，該機床的工作表現一直都比較好（hǎo）。機床的運行如果沒有這些寶貴的信息，就不可能達到這樣（yàng）事半功倍的目的，或（huò）者說（shuō），機床運行中潛（qián）在的（de）產量和質（zhì）量都將會有所下（xià）降。