无振动的单刃深孔加工刀具

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在使用了压电减振的刀柄（adaptronischen Werkzeughalter）之后，能够明显地降低单刃深孔加工刀具的振动，从而也可以在保证质量不变的情况下大大的提高深孔钻削时的进给速度。压电减振刀柄由于其在切削加工过程中很高的适应匹配能力为提高生产能力提供了一个很好的解决方案。
5 n3 i! g4 o& m, X深孔加工是一种加工长径比（l/d）最大可达250的加工方法。在加工长径比较大的孔时，当切削速度达到一定的数值时，由于刀具特殊的细长结构常常会产生动态不稳定的现象。由此而带来的振纹不仅影响了深孔加工的质量，也缩短了深孔加工刀具的寿命。本文将介绍具有缓解、衰减扭振功能的压电减振刀柄的研发和试验情况，以及由此而得到的生产过程稳定性。
在金属切削加工中，例如在深孔钻削加工中，提高进给量以减少机动加工工时是一个非常重要的目标。但是，大多数情况下却会遇到刀具和机床振动的问题，从而使得进一步提高生产能力遇到了很大的阻力。从刀具方面来讲，通过使用中心架或者跟刀架的措施来减小刀具弯曲的影响；但是迄今为止一直没有很好的办法来缓解扭矩要求的振动。

压电刀柄系统能够将单刃深孔钻头的切削功率提高60％以上，
且不会有切削刃的磨损、不会降低深孔加工的质量压电式的刀柄系统能够与切削加工的过程自动匹配
为了缓解扭振对提高生产能力的限制问题，ISF切削加工研究所研发了一种压电式刀柄装置（图1）。由于压电式刀柄系统有着很高的按照加工过程自动匹配的性能，因此这一方案在提高深孔加工生产能力方面提供了很大的潜力。在这一系统的研发过程中，需要能够简单方便的集成到现有的机床系统之中的，结构紧凑、自给自足的功能单元。
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图1 深孔加工用压电式刀具连接装置由于自振的原因，深孔钻削装置的振动频率很大，而深孔钻削装置的空间大小又不能太大，无法使用一般的减振装置、缓冲装置。随着减振作用处距最大振幅位置之间的距离增加，在钻孔深度逐渐增加的时候减振作用也逐步下降。而解决这一问题的方案就是采用一种具有扭转特性的深孔钻头装夹工具；从而实现整个深孔钻削刀具长度上的振动频率恒定不变，以至于在钻到最大深度时还能够从振动过程中回收一定的能量。
研发的系统是一个将机床主轴和刀具连接起来的离合装置。这种“离合器”式的结构使得机床主轴和刀具之间的相对移动成为可能。而对机床主轴和刀具之间相对移动的缓冲和缓解有利于实现深孔钻削过程的稳定性。这一系统由两个可以相对旋转的、相互套接在一起的“联轴器”型零件组成。在机床、刀具各半的联轴器圆柱形缝隙中，充满了具有磁阻的、用于扭矩传递的液体（MRF）（图2）。一般情况下，是利用具有承载能力的硅油做磁阻液的；其中可磁化的金属微粒呈散乱排列状。在受到磁场作用后，这些金属颗粒整齐的按照磁场磁力线的方向排列起来形成了一条“金属链”。
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图2 机床（绿色）和刀具刀柄（红色）中的压电感应减震连接主轴利用电流强度对减振缓冲性能进行调节
由于金属链的形成，使得磁阻液在金属链之间的流动比较困难，磁阻液的粘度也发生了变化。这种性能可以在液态和几乎呈固态之间进行调节。
3 l- a( d- d! \- |9 {在实际应用时，充满MRF磁阻液的空间中安装有产生磁场所需的线圈。通过对电流强度的调节，可以调节所需的压电减振强度性能。而调节方式取决于不同的深孔钻削过程。在出现扭矩引起的扭振时，可以在起动和制动两种状态之间调节离合连接的“软和硬”，从而将内部的摩擦转化为热量。为了采集当前工况的数据，即采集当前扭振振动的数据，在深孔钻头的压电式刀柄中安装了加速度传感器。安装的传感器呈180°配置，以便能够可靠的察觉到出现的扭振振动。加速度传感器将深孔加工过程中检测到的数据经无线信号传送装置（Telemetrie）发送给检测控制计算机，由它对检测到的信号进行处理。在检测信号处理计算机中，会对加速度传感器发送来的信号进行过程分析。根据分析的结果，系统能够自动的对励磁电流进行调节，从而实现机械系统的调整使得深孔钻削过程更加稳定。调整后的效果再次被加速度传感器所监测，从而完成了一个闭式控制循环。
9 ?% ]' w" _2 Y9 i# C: c5 `$ z为使实现深孔钻削过程稳定性的定量化控制，这一解决方案中还研发了第二种装夹深孔钻头的刀具夹持器；它同样也具有采集钻削过程状态数据的功能。在这第二级刀柄中，同样也安装了加速度传感器和无线数据传送系统。利用这一压电刀柄也按照第一种刀柄的相同切削参数进行了试验；即在一系列的扭振水平检测试验中有着相同的试验条件。
两种刀柄的一系列对比试验数据都由检测计算机进行数据评判。评判的依据是传感器检测到的电压数据，将这些数据进行换算可以实现一系列检测数据的对比。钻削过程的状态用10kHz的频率进行检测，每个传感器、每秒钟1组10000个数据为1个单位传递给数据分析软件。基于这些数据，Fast-Fourier-Transformation软件对整个信号的自振频率部分进行分析。根据频率分析的结果，可以确定某一信号是否是一个扭振信号（干扰信号），或者是单个频率的峰值信号是否已经得到了衰减。
4 W3 V" B) O! N0 }深孔钻头自振频率的测定
根据对所使用的钻削刀具扭转振动自振频率关系的分析，可以确定采集扭转振动强度非常有意义的频率范围。通过对扭转曲线下不同钻孔过程面积的计算，能够对不同试验系列的数据进行比较。因为不同的进给速度下有不同的机动工时，所以要对这些数据进行标准化处理。
在完成数据的评判之后，可以开始对压电式刀柄的使用情况按照钻削过程进行调节。理想情况是能够对刀具夹持器传递的扭矩进行调节，使得机械系统有几种变型，以便通过几种不同等级的机械系统变型将自振频率推移，从而使得深孔钻削的过程更加稳定。
三种方案的试验验证
除了上面介绍的扭转振动衰减方案以外，还有一种减少扭振的方案就是简单的“电流减半”法，即只要发现了扭转振动，就把电流强度减少一半。但这一减半措施始终保持深孔钻削系统有足够的输出扭矩。当扭矩振动消失以后，才重新回复到原来的设定值。除了电流调节的工况以外，这种压电式刀柄还在辅助的最大电流强度下工作，以便能够采集到没有扭转振动时的扭转振动衰减的潜力。下面将分别介绍一下三种不同减振方案的减振效果。三种不同减振方案的检测试验条件都是相同的，使用的是同一类型的深孔加工刀具。钻削时的切削工艺参数选用的是生产厂家推荐的数值（表），被加工材料是34CrNiMo6，材料编号为1.6582。
, `8 }; z( a4 X, }* R) v# p9 N 扭振衰减改进最大的是采用非调节式的压电刀柄（恒定最大电流强度，最大的传递扭矩）在切削速度为70?m/mim，每转进给量为0.02?mm时（图3），扭振衰减率达62％。对于可调节的压电刀柄，在切削速度为70?m/mim，每转进给量为0.03?mm时的扭振衰减率可达55％（图4）。相比较，使用压电刀柄之后在切削速度50?m/min和70?m/min时优点最明显。在各种进给量情况下对扭转振动强度的测试表明：在小进给量条件下对稳定深孔钻削过程有着很好的作用。横向比较得出的结果是：使用了可调节的压电刀柄后在切削速度50m/min、进给量0.05mm时有着比刚性刀具在进给量0.03mm时更好的深孔加工稳定性（图5）。由此可以得出结论：在使用压电刀柄之后，这一深孔加工条件下的生产效率可以提高67％，而且不会出现类似刀具磨损增加、深孔加工质量降低等不良影响。
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* Y0 _' F# |8 @9 p# e" u% l图3 未采用压电式刀柄加工34CrNiMo6材料中的深孔时不同钻孔深度时的扭振强度曲线

图4 没有使用压电刀柄（a）和使用了压电刀柄（b）时的扭振曲线比较压电式刀柄降低扭矩突变引起的振动
0 I* ^' f* k0 ]  ?- S2 |% r在使用了压电式刀柄之后可以明显的降低深孔加工时切削扭矩突变而引起的振动，能够在保证生产过程稳定性的同时明显的提高进给量。但是，不是在所有深孔加工工况下都采用可调节的压电刀柄能够得到最好的效果，有些工况下采用不可调节的压电刀柄反而更好。这一点也通过压电刀柄调节、控制的程序语言中得到了注明，多层次的调节控制程序有着比简单调节控制程序更大的提高效率的潜力。从而也提供了在付出不多的情况下得到更好的结果：深孔加工中有着更大的优化潜力可以挖掘。
文章关键词： 刀具、材料