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调制数控车削:刀具路径反转如何提供更大的切削速度

时间:2021-04-26来源:

导语:北卡罗莱纳大学夏洛特分校(UNCC)的研究人员在寻找一种可靠的粉碎芯片的方法时,可能也粉碎了其他一些东西:在转弯时生产力的物理极限。调制车削”,他们的切屑破碎技术涉及刀具路径的振荡,已显示出作为一种手段,在车削过程中不引入其他任何改变,提供更高的金属去除率。

  北卡罗莱纳大学夏洛特分校(UNCC)的研究人员在寻找一种可靠的粉碎芯片的方法时,可能也粉碎了其他一些东西:在转弯时生产力的物理极限。调制车削”,他们的切屑破碎技术涉及刀具路径的振荡,已显示出作为一种手段,在车削过程中不引入其他任何改变,提供更高的金属去除率。

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  Tony Schmitz教授在UNCC领导这个研究项目,与他一起工作的是机械工程研究生Ryan Copenhaver。这项工作的预期受益者是一家隶属于美国政府、涉及制造军事设备的特殊制造设施。由于该设备加工的是放射性材料,切屑破碎是一个至关重要的问题——这或许是机械加工过程中最重要的问题。由于该设备加工的是放射性材料,切屑破碎是一个至关重要的问题——也许是加工过程中最重要的问题。由于存在暴露的危险,操作者无法与加工过程进行交互以清除芯片或更换刀具,因为这些步骤在另一个加工过程中可以很容易地完成。

  对于一项旨在将放射性工件加工成半球形的车削作业,该工厂正在寻找一种比使用切削工具的碎屑形式更一致、更可靠的碎屑方法。让工具反复离开切割--一遍又一遍地断掉触点--被认为是解决这个问题的关键。

  前UNCC研究员Scott Smith(现在就职于橡树岭国家实验室)开始了这项工作,他发现仅通过编程的CNC运动就足以提供路径上的重复逆转。他帮助开发的一个后处理器,根据程序员所选择的振幅和频率,在程序路径中增加重复的反向。半球形旋转涉及到X轴和Z轴的插补,反向的路径遵循相同的插补曲线。芯片断裂反转的参数在每秒0.5到3.0反转(频率)的范围内,典型反转相当于沿路径向后退0.005英寸(振幅)。

  在芯片断裂效应被证实后,Schmitz博士开始了这项研究。他研究了对表面光洁度的影响,但也探索了超出项目最初目标的其他积极影响。他说:“这些倒转的幅度和频率现在是额外的旋钮,我们可以通过它来影响这个过程。”通过调整这些旋钮可以提高生产率。

  加工与生产率

  从表面光洁度来看,刀具在切削时后退和前进的光洁度确实比连续切削的光洁度更粗糙。但重要的是,这种损害是持续的——这意味着它可以通过持续的后续步骤来克服。Schmitz博士和Copenhaver先生在304不锈钢(放射性材料的紧密替代品)中,研究了“弹簧通道”对改善最终成品的效果。弹簧通道是相同的刀具路径,使用相同的刀具,不改变位置,允许刀刃去除少量的附加材料。测试包括有和没有弹簧孔道的连续切削,有和没有弹簧孔道的调制车削。到目前为止的研究结果表明,经过调制的车削以及随后的非调制的弹簧行程可以产生与恒速进料切削一样好的或几乎一样好的光洁度。

  Schmitz博士说,在所有芯片制造过程中,金属去除率都受到“波状再生”现象的限制。这是加工通道在表面留下的波产生切削力变化的趋势,这种变化放大了与机床和整个加工系统的谐波特性有关的振动。这种自放大效应会导致颤振,在一定的速度和切削深度组合下,会产生足够大的颤振,从而抑制生产加工,并迅速导致刀具失效。当切削参数过于激进时,波浪度的再生,往往是这些参数组合不起作用的主要原因。一组以前可能过于激进的参数可以变得足够稳定,只要反转是路径的一部分,就可以有效地削减。仅仅为了引入调制车削,就可以对刀具路径进行后处理,因此可以使一组以前过于激进的参数有效地切割,而不改变刀具、速度、切割深度或标称进给率。UNCC的研究人员已经证明了这一点,下面的图表也证明了这一发现:

      引入一种新的振荡,以绕过系统中其他振荡的限制的技术,超出了当前赞助商的调制车削目标的范围。制造商想要的是一个安全和可预测的过程,而不是一个生产效率更高的过程。但是其他制造商显然会将生产效率作为首要任务的。对于他们来说,调制车削通过允许切削参数的增加而不产生颤振,可以提高现有车削设备的潜在产量。任何数控车床都有可能使用这种技术来加快切削速度,所以Schmitz博士说,这项研究的下一步是寻找面向生产的赞助商,让他的团队进一步探索这一优势,并扩大规模,以发现这项技术的局限性。

标签: 机床工具

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