Macor陶瓷噴嘴的微鉆孔分析（五）

上篇文章Macor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。

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(dòng)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng)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(dòng)的切削條件并測量切削力、振動(dòng)和聲發(fā)射等不同信號(hào)來實(shí)驗(yàn)獲得。使用快速傅立葉變換 (FFT) 將時(shí)域中獲得的信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域中，其中可以識(shí)別顫振頻率。在獲得顫振頻率時(shí)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(hào)采集設(shè)備的采樣能力會(huì)導(dǎo)致額外的誤差。實(shí)驗(yàn)過程既費(fèi)錢又費(fèi)時(shí)，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)）