可加工陶瓷噴嘴的微鉆孔分析（五）

上篇文章可加工陶瓷噴嘴的微鉆孔分析（四）

本文提出了一種稱為穩(wěn)定峰值頻率（SPF）的新方法。該方法旨在通過避免顫振為各種刀具確定穩(wěn)定的微鉆孔切削參數(shù)。 SPF 方法包括確定微型鉆孔中的進(jìn)給速率和主軸速度。( MACOR是有康寧公司生產(chǎn)的可加工陶瓷)

該方法不需要力模型、工件的材料行為、模態(tài)剛度和切削刀具的阻尼。唯一需要的參數(shù)是刀具振動的固有頻率。首先，根據(jù)最小切屑厚度確定每齒/凹槽的進(jìn)給率，該厚度取決于刀具的邊緣半徑 (r)。不同材料和切削條件的最小切屑厚度在 0.1r 和 0.5r 之間變化。在 SPF 方法中，建議每齒進(jìn)給速度在  區(qū)間內(nèi)。在所提出的方法中也可以使用更低或更高的進(jìn)料速率。每齒進(jìn)給率低于邊緣半徑會導(dǎo)致犁溝，這是由于表面光潔度差和毛刺形成而造成的。例如，低于最小切屑厚度的進(jìn)給率會導(dǎo)致在刨削狀態(tài)下進(jìn)行鉆孔過程。此外，低進(jìn)給率會增加刀具磨損，因?yàn)樵谇邢魅懈l繁地與工件材料接觸的地方鉆孔一定體積的材料需要更多的轉(zhuǎn)數(shù)。每齒高進(jìn)給率會因顫振而導(dǎo)致鉆孔不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致刀具破損。

SPF 方法的核心步驟是確定相應(yīng)微型鉆頭的主軸速度。眾所周知，在某些主軸轉(zhuǎn)速下，切削過程更穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)更高的切削深度。 SPF 方法旨在確定可以達(dá)到最高切削深度的主軸速度。由于不存在微鉆孔顫振模型，Afazov 等人開發(fā)的微銑削模型。 (2012) 用于識別因高切削深度而導(dǎo)致的主軸速度的周期性。對不同材料（AISI 4340、AISI H13 和 Ti6Al4V）、刀具幾何參數(shù)（前角和邊緣半徑）、模態(tài)動態(tài)參數(shù)（固有頻率、阻尼比和剛度）的不同值的敏感性分析的結(jié)果長笛工具表明，固有頻率與在葉瓣中部獲得的主軸頻率之間存在相關(guān)性（見圖 5）。關(guān)系可以由下式給出：

 
其中 f (Hz) 是穩(wěn)定波瓣中間的主軸頻率，fn (Hz) 是刀具振動的固有頻率，i 是波瓣數(shù)。 圖 5 顯示了兩刃立銑刀切削鋼工件的穩(wěn)定性波瓣。 可以看出，位于葉片 1、2 和 3（f1、f2 和 f3）中間的前 3 個主軸頻率導(dǎo)致更高的切削深度。 此外，可以看出，對于前三個瓣的更大穩(wěn)定頻率范圍，可以實(shí)現(xiàn)更高的切割深度。 因此，建議選擇前三瓣的主軸頻率。 

圖 5. 固有頻率為 4035 Hz 且進(jìn)給率為 4 μm/齒的立銑刀獲得的穩(wěn)定性波瓣（Afazov 等，2012）。

切削刀具振動的固有頻率，也稱為顫振頻率，可以通過選擇導(dǎo)致刀具受迫振動的切削條件并測量切削力、振動和聲發(fā)射等不同信號來實(shí)驗(yàn)獲得。使用快速傅立葉變換 (FFT) 將時域中獲得的信號轉(zhuǎn)換到頻域中，其中可以識別顫振頻率。在獲得顫振頻率時要考慮的主要誤差是在微尺度測量過程中存在大量噪聲。

此外，傳感器的靈敏度和信號采集設(shè)備的采樣能力會導(dǎo)致額外的誤差。實(shí)驗(yàn)過程既費(fèi)錢又費(fèi)時，因此，選擇有限元方法來獲得顫振頻率。由于建模工具 CAD 幾何形狀和實(shí)際工具幾何形狀之間的不同、網(wǎng)格質(zhì)量差和材料屬性不確定而導(dǎo)致的誤差被最小化。（未完待續(xù)）