失控的振動會給金屬切削帶來諸多問題。在切削過程中，不斷變化的力會引起 振動和刀具顫振，進(jìn)而導(dǎo)致零件表面質(zhì)量下降、磨損加快或刀具斷裂，并且會損壞機(jī)床組件。此外，產(chǎn)品設(shè)計(jì)也趨向于引發(fā)振動。為了提高產(chǎn)品強(qiáng)度并降低裝配成本，制造商們越來越多地使用整體工件來加工零件。為了加工零件內(nèi)部的特征，刀具需要進(jìn)入較深的腔體，而加長的刀具長度會加劇振動。如果通過降低切削參數(shù)來減小振動，則會降低生產(chǎn)率并增加制造成本。

　　在眾多控制振動的方法中，最主要的方法是被動式動態(tài)減振系統(tǒng)，它利用調(diào)諧質(zhì)量減振器概念來吸收振動，防止振動進(jìn)一步擴(kuò)散并最終破壞加工過程。

　　振動是一個常見問題

　　所有行業(yè)部門都認(rèn)為過度振動是一種破壞性工況。重復(fù)的操作和/或外力會產(chǎn)生同一種運(yùn)動，這會在機(jī)器、建筑物或橋梁中產(chǎn)生共振，并且會發(fā)展到危險的地步。制造商和建筑商通常采用調(diào)諧質(zhì)量減振器概念來克服振動。調(diào)諧質(zhì)量減振器是一個懸浮在機(jī)器或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的部件，用于與多余的振動形成反相共振，吸收能量，并最大限度地減少振動。

　　金屬切削中的振動

　　在金屬切削過程中，刀具在產(chǎn)生切屑時會形成持續(xù)改變的切削力，因此會造成振動。在斷續(xù)的銑削工藝中，隨著切屑的形成和斷裂，刀桿周期性地加載和卸載，因此會形成十分明顯的間歇切削力。在車削工藝中，這種情況同樣存在。

　　控制金屬切削過程中振動的被動方法包括最大限度地增強(qiáng)加工系統(tǒng)中各元件的剛性。為了限制不必要的運(yùn)動，可以采用堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)元件建造機(jī)床，使其更大、更重，并且填充混凝土或其他減振材料。從工件的角度來看，薄壁零件和那些沒有支撐的零件在加工時容易產(chǎn)生振動。在一定程度上，零件經(jīng)過重新設(shè)計(jì)可以提高剛性。然而，這種設(shè)計(jì)變更往往會增加重量并影響產(chǎn)品性能。

　　對于切削刀具來說，控制振動的被動方法包括使用更短、更具剛性的刀具以及使用堅(jiān)硬的硬質(zhì)合金刀柄代替代鋼質(zhì)刀柄。

　　控制刀具振動的被動式動態(tài)方法包括采用調(diào)諧質(zhì)量減振器。山高 Steadyline 系統(tǒng)采用預(yù)調(diào)諧減振器，包括通過徑向減振元件懸浮在刀桿內(nèi)部的、由高密度材料(以減少其整體尺寸)制成的減振器塊。當(dāng)振動被切削刀具傳輸?shù)綏U體時，減振器會立即吸收振動。

　　在進(jìn)行典型的長懸伸加工時，Steadyline 系統(tǒng)使生產(chǎn)效率至少達(dá)到非減振刀具的兩倍，同時還能改善零件表面粗糙度、延長刀具使用壽命，并且可降低機(jī)床的應(yīng)力。被動式動態(tài)減振技術(shù)可以使某些應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，例如使用長徑比達(dá)到 10 倍的刀具;如果不采用被動式動態(tài)減振技術(shù)，即使在最小的加工參數(shù)下也無法使用此類刀具。

　　被動式動態(tài)減振工作原理

　　圖 1 和圖 2 說明了 Steadyline 被動式動態(tài)振動控制系統(tǒng)的工作原理。在圖 1 中，傳統(tǒng)整體式刀柄的減振屬性包括刀柄的質(zhì)量 (M1)、剛性 (K1) 及其固有的減振特性 (K’1)。這些屬性組合在一起構(gòu)成 MKK' 系統(tǒng)。在切削過程中，切削力 Fe 在刀柄中產(chǎn)生運(yùn)動(振動)。

　　在 Steadyline 系統(tǒng)(圖 2)中，增加了第二個 MKK' 系統(tǒng)的減振屬性，即質(zhì)量 M2、剛性 K12 和密度 K’12。MKK' 系統(tǒng) S2 可以處理與原始 MKK' 系統(tǒng)相同的固有頻率，并且與多余的振動形成反相共振，因此可以吸收能量并減少振動。

　　在 Steadyline 系統(tǒng)中，減振器安裝在刀桿前部撓曲變形最大的部位，當(dāng)振動從切削刃傳遞至刀桿主體時，減振器能夠立即阻止振動。此外，Steadyline 系統(tǒng)還包括短小緊湊的 GL 切削刀頭，該刀頭可將切削刃靠近減振器放置，從而實(shí)現(xiàn)最佳減振效果。Steadyline 系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，特別適用于銑削(輪廓銑、型腔銑、槽銑)、車削、粗鏜和精鏜。

　　應(yīng)用對比

　　對難加工的 42CrMo4 鋼的鏜削案例可反映Steadyline 系統(tǒng)減振效果。在該示例中，一個直徑為 105.8 mm 的圓柱孔將通過五次鏜削(切削深度從 3 mm 逐步減少至 0 mm)被擴(kuò)大到直徑為 129 mm 的錐孔。所采用的刀桿直徑為 80 mm，初始切削長度為 600 mm，這表示刀具的長徑比為 7.5。粗鏜采用 0.3 mm/轉(zhuǎn)的進(jìn)給量，并且切削速度為 157 m/分鐘。在完成粗鏜后，通過半精加工方式最終達(dá)到 130 mm 直徑，采用 0.5 mm 的切削深度、0.2 mm/轉(zhuǎn)的進(jìn)給量和 200 m/分鐘的切削速度。盡管工件未使用 Steadyline 刀桿的全轉(zhuǎn)速能力，但憑借 Steadyline 被動式動態(tài)振動控制系統(tǒng)，加工時間從 12 小時縮短為 2 小時(減少 80% 以上)。

　　為了直觀展現(xiàn) Steadyline 系統(tǒng)在側(cè)銑加工中的優(yōu)勢，我們對 1.1206 CK50 鋼進(jìn)行側(cè)銑。在這項(xiàng)加工中，采用不具備被動式動態(tài)振動控制功能的 Combimaster 銑刀刀柄以及直徑為 20 mm 的刀具，切削速度為 312 m/分鐘，進(jìn)給量為 0.3 mm/齒，并且切削深度為 0.9 mm。當(dāng)使用同一款采用 Steadyline 系統(tǒng)的刀具，并且采用相同的切削速度和進(jìn)給量時，切削深度可增加至 2.2 mm(多達(dá) 2.3 倍)，并且消除了多余振動。

　　結(jié)論

　　被動式動態(tài)振動控制系統(tǒng)主要面向石油天然氣、發(fā)電和航空航天客戶的設(shè)備制造商，因?yàn)樗羞@些行業(yè)部門都會定期處理一些需要使用加長刀具的大型復(fù)雜零件。此外，這類零件通常由難加工的堅(jiān)硬合金制成，因此會產(chǎn)生可引發(fā)振動的強(qiáng)大切削力。然而，顯而易見的是，幾乎每一家制造商都會面臨需要借助 Steadyline 刀柄系統(tǒng)的特定應(yīng)用場合，通過其減振性能來擴(kuò)展自身的加工能力、提高生產(chǎn)率并降低成本。

　　(附注)

　　Steadyline 硬件、安裝和應(yīng)用注意事項(xiàng)

　　硬件細(xì)節(jié)

　　Steadyline 被動式動態(tài)振動控制系統(tǒng)包括綜合全面的適用于銑削、車削和鏜削應(yīng)用的硬件選項(xiàng)，可以靈活組裝以滿足各種不同的生產(chǎn)要求。

　　車削刀柄系統(tǒng)可用于車削和鏜削，包括 7 種刀桿直徑尺寸：32 mm、40 mm、50 mm、60 mm、80 mm、2.5" 和 3.0"?？蔀槊糠N直徑提供三種刀柄長度 – 6xD、8xD 和 10xD，并且提供了眾多機(jī)床側(cè)連接。其中包括適用于 32 mm 至 80 mm(公制)和 1.25" 到 3"(英制)尺寸的圓柱柄，以及 Seco-Capto 側(cè)固柄和 HSK-T/A。

　　直徑等于或小于 50 mm 的刀桿可以直接使用緊湊型 GL 刀頭，它具有精確的多面連接，通過便捷的螺母系統(tǒng)進(jìn)行固定。

　　直徑等于或大于 60 mm 的刀桿采用由四個 Graflex 螺釘鎖定的 BA 連接，允許 0˚/180˚ 定位。這些大型刀桿可以與“BA 至 GL”接頭和緊湊型 GL50 刀頭配合用于車削，并與定制的 BA 鏜頭配合用于鏜削。

　　GL 刀頭適用于粗鏜和精鏜應(yīng)用，并且適用于采用右車刀和左車刀的車削應(yīng)用。提供了用于粗加工的負(fù)角刀片、用于精加工的正角刀片以及用于螺紋加工、割槽和切斷的刀片。

　　除了廣泛的標(biāo)準(zhǔn)刀具選項(xiàng)外，山高還提供各種定制解決方案，例如帶有多個切削刃的刀桿和用于特殊應(yīng)用的極長刀桿(超過兩米)。

　　對于銑削應(yīng)用，Steadyline 振動控制配置提供了 Combimaster 可換刀頭銑刀(適用于直徑 20 mm 至 40 mm 的銑刀)和面銑刀柄(適用于直徑 40 mm 至 160 mm 的刀具)。無論是 Combimaster 還是面銑刀柄，均可使用眾多刀片類型，適用于方肩銑、仿形銑、立銑、面銑、插銑和三面刃銑，以及輪廓銑和螺旋插補(bǔ)銑。刀體通過錐形增強(qiáng)的圓柱形最大限度地提升了剛性，可在重型加工應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高度的靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定性。可為銑削刀柄提供 Seco-Capto 側(cè)固式、HSK-A、BT、CAT 和 DIN(包括錐面型)機(jī)床側(cè)連接。

　　此外，為銑削應(yīng)用場合提供的定制刀柄還包括熱脹夾緊系統(tǒng)、專用夾頭等特殊組件。

　　刀具安裝指南

　　Steadyline 刀具基本上是“即插即用”：內(nèi)置減振系統(tǒng)隨時可用，不需進(jìn)一步的準(zhǔn)備。為了達(dá)到最佳效果，刀桿必須直接安裝在機(jī)床上，而不使用中間接長桿或變徑套。在機(jī)床上安裝刀具時，建議采用 Seco-Capto 系統(tǒng)，因?yàn)樗哂谐錾膭傂?、同步錐面和平面接觸以及高度的抗彎曲能力，能夠最大限度地提高切削刃的定位精度。無法選擇 Seco-Capto 時，山高建議采用安裝在分離式鏜桿刀柄中的圓柱型刀桿，至少應(yīng)插入到 4xD 處(由刀桿上的第二行標(biāo)記)。

　　應(yīng)用提示

　　Steadyline 刀柄系統(tǒng)有一些需要特別注意的應(yīng)用事項(xiàng)。當(dāng)直接使用被動式動態(tài) Steadyline 刀桿來更換傳統(tǒng)刀桿時，可能需要提高切削參數(shù)以產(chǎn)生足以觸發(fā)系統(tǒng)減振響應(yīng)的振動。此外，在長懸伸應(yīng)用中，刀桿可能彎曲但不會振動，因此會加工出比編程值小的直徑。可將加工操作分成三個輕型切削步驟，從而消除彎曲并產(chǎn)生指定的直徑。值得注意的是，相對于刀桿直徑，最小加工直徑必須足夠大，以便正確排屑。正確地考慮排屑非常關(guān)鍵，尤其是在加工小而深的孔時。建議使用冷卻液來幫助排屑，并盡量減少熱量傳遞至對溫度敏感的刀桿上。

　　作者：Pierre Zunino 產(chǎn)品經(jīng)理和 Yannick Groll 研發(fā)工程師

　　山高總部設(shè)在瑞典法格斯塔市，在超過 45 個國家/地區(qū)設(shè)有辦事處，是為銑削、車削、孔加工和螺紋加工領(lǐng)域提供全面金屬切削解決方案的全球最大供應(yīng)商之一。另外，80 多年來，公司一直與各行各業(yè)的制造商密切合作，提供他們所需的刀具、工藝和服務(wù)，幫助他們獲得最高的生產(chǎn)率和最大的利潤率。