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深孔刀具,挖掘更大的潛力提高生産加工能力

深孔刀具,挖掘更大的潛力提高生産加工能力

    在使用了壓電減振刀柄之後,能夠明顯地降低單刃深孔加工刀具的振動,從而也可以在保證質量不變的情況下大大的提高深孔鑽削時的進給速度。壓電減振刀柄由于其在切削加工過程中很高的适應匹配能力,為提高生産能力提供了一個很好的解決方案。
    深孔加工是一種加工長徑比(l/d)較大可達250的加工方法。在加工長徑比較大的孔時,當切削速度達到一定的數值時,由于刀具特殊的細長結構常常會産生動态不穩定的現象。由此而帶來的振紋不僅影響了深孔加工的質量,也縮短了深孔加工刀具的壽命。本文将介紹具有緩解、衰減扭振功能的壓電減振刀柄的研發和試驗情況,以及由此而得到的生産過程穩定性。
    在金屬切削加工中,例如在深孔鑽削加工中,提高進給量以減少機動加工工時是一個非常重要的目标。但是,大多數情況下卻會遇到刀具和機床振動的問題,從而使得進一步提高生産能力遇到了很大的阻力。從刀具方面來講,通過使用中心架或者跟刀架的措施來減小刀具彎曲的影響;但是迄今為止一直沒有很好的辦法來緩解扭矩要求的振動。
    壓電式的刀柄系統能夠與切削加工的過程自動匹配
    為了緩解扭振對提高生産能力的限制問題,ISF切削加工研究所研發了一種壓電式刀柄裝置。由于壓電式刀柄系統有着很高的按照加工過程自動匹配的性能,因此這一方案在提高深孔加工生産能力方面提供了很大的潛力。在這一系統的研發過程中,需要能夠簡單方便的集成到現有的機床系統之中的,結構緊湊、自給自足的功能單元。
    由于自振的原因,深孔鑽削裝置的振動頻率很大,而深孔鑽削裝置的空間大小又不能太大,無法使用一般的減振裝置、緩沖裝置。随着減振作用處距較大振幅位置之間的距離增加,在鑽孔深度逐漸增加的時候減振作用也逐步下降。而解決這一問題的方案就是采用一種具有扭轉特性的深孔鑽頭裝夾工具;從而實現整個深孔鑽削刀具長度上的振動頻率恒定不變,以至于在鑽到較大深度時還能夠從振動過程中回收一定的能量。
    研發的系統是一個将機床主軸和刀具連接起來的離合裝置。這種“離合器”式的結構使得機床主軸和刀具之間的相對移動成為可能。而對機床主軸和刀具之間相對移動的緩沖和緩解有利于實現深孔鑽削過程的穩定性。這一系統由兩個可以相對旋轉的、相互套接在一起的“聯軸器”型零件組成。在機床、刀具各半的聯軸器圓柱形縫隙中,充滿了具有磁阻的、用于扭矩傳遞的液體(MRF)。一般情況下,是利用具有承載能力的矽油做磁阻液的;其中可磁化的金屬微粒呈散亂排列狀。在受到磁場作用後,這些金屬顆粒整齊的按照磁場磁力線的方向排列起來形成了一條“金屬鍊”。
    利用電流強度對減振緩沖性能進行調節
    由于金屬鍊的形成,使得磁阻液在金屬鍊之間的流動比較困難,磁阻液的粘度也發生了變化。這種性能可以在液态和幾乎呈固态之間進行調節。
    在實際應用時,充滿MRF磁阻液的空間中安裝有産生磁場所需的線圈。通過對電流強度的調節,可以調節所需的壓電減振強度性能。而調節方式取決于不同的深孔鑽削過程。在出現扭矩引起的扭振時,可以在起動和制動兩種狀态之間調節離合連接的“軟和硬”,從而将内部的摩擦轉化為熱量。為了采集當前工況的數據,即采集當前扭振振動的數據,在深孔鑽頭的壓電式刀柄中安裝了加速度傳感器。安裝的傳感器呈180°配置,以便能夠可靠的察覺到出現的扭振振動。加速度傳感器将深孔加工過程中檢測到的數據經無線信号傳送裝置發送給檢測控制計算機,由它對檢測到的信号進行處理。在檢測信号處理計算機中,會對加速度傳感器發送來的信号進行過程分析。根據分析的結果,系統能夠自動的對勵磁電流進行調節,從而實現機械系統的調整使得深孔鑽削過程更加穩定。調整後的效果再次被加速度傳感器所監測,從而完成了一個閉式控制循環。
    為使實現深孔鑽削過程穩定性的定量化控制,這一解決方案中還研發了第二種裝夾深孔鑽頭的刀具夾持器;它同樣也具有采集鑽削過程狀态數據的功能。在這第二級刀柄中,同樣也安裝了加速度傳感器和無線數據傳送系統。利用這一壓電刀柄也按照種刀柄的相同切削參數進行了試驗;即在一系列的扭振水平檢測試驗中有着相同的試驗條件。
    兩種刀柄的一系列對比試驗數據都由檢測計算機進行數據評判。評判的依據是傳感器檢測到的電壓數據,将這些數據進行換算可以實現一系列檢測數據的對比。鑽削過程的狀态用10kHz的頻率進行檢測,每個傳感器、每秒鐘1組10000個數據為1個單位傳遞給數據分析軟件。基于這些數據,Fast-Fourier-Transformation軟件對整個信号的自振頻率部分進行分析。根據頻率分析的結果,可以确定某一信号是否是一個扭振信号(幹擾信号),或者是單個頻率的峰值信号是否已經得到了衰減。
    深孔鑽頭自振頻率的測定
    根據對所使用的鑽削刀具扭轉振動自振頻率關系的分析,可以确定采集扭轉振動強度非常有意義的頻率範圍。通過對扭轉曲線下不同鑽孔過程面積的計算,能夠對不同試驗系列的數據進行比較。因為不同的進給速度下有不同的機動工時,所以要對這些數據進行标準化處理。
    在完成數據的評判之後,可以開始對壓電式刀柄的使用情況按照鑽削過程進行調節。理想情況是能夠對刀具夾持器傳遞的扭矩進行調節,使得機械系統有幾種變型,以便通過幾種不同等級的機械系統變型将自振頻率推移,從而使得深孔鑽削的過程更加穩定。
    三種方案的試驗驗證
    除了上面介紹的扭轉振動衰減方案以外,還有一種減少扭振的方案就是簡單的“電流減半”法,即隻要發現了扭轉振動,就把電流強度減少一半。但這一減半措施始終保持深孔鑽削系統有足夠的輸出扭矩。當扭矩振動消失以後,才重新回複到原來的設定值。除了電流調節的工況以外,這種壓電式刀柄還在輔助的較大電流強度下工作,以便能夠采集到沒有扭轉振動時的扭轉振動衰減的潛力。下面将分别介紹一下三種不同減振方案的減振效果。三種不同減振方案的檢測試驗條件都是相同的,使用的是同一類型的深孔加工刀具。鑽削時的切削工藝參數選用的是生産廠家推薦的數值,被加工材料是34CrNiMo6,材料編号為1.6582。
    通過相同切削參數下加工時序的對比,可以清楚的看到使用了壓電刀柄的減振方案明顯的衰減了深孔鑽削時的次扭振;即把鑽削開始時出現的扭轉振動幾乎全部衰減。同時,在接近鑽削過程結束時出現的第二次扭轉振動的範圍也明顯的衰減了。
    扭振衰減改進較大的是采用非調節式的壓電刀柄(恒定較大電流強度,較大的傳遞扭矩)在切削速度為70m/mim,每轉進給量為0.02mm時,扭振衰減率達62%。對于可調節的壓電刀柄,在切削速度為70m/mim,每轉進給量為0.03mm時的扭振衰減率可達55%。相比較,使用壓電刀柄之後在切削速度50m/min和70m/min時優點較明顯。在各種進給量情況下對扭轉振動強度的測試表明:在小進給量條件下對穩定深孔鑽削過程有着很好的作用。橫向比較得出的結果是:使用了可調節的壓電刀柄後在切削速度50m/min、進給量0.05mm時有着比剛性刀具在進給量0.03mm時更好的深孔加工穩定性。由此可以得出結論:在使用壓電刀柄之後,這一深孔加工條件下的生産效率可以提高67%,而且不會出現類似刀具磨損增加、深孔加工質量降低等不良影響。
    壓電式刀柄降低扭矩突變引起的振動
    在使用了壓電式刀柄之後可以明顯的降低深孔加工時切削扭矩突變而引起的振動,能夠在保證生産過程穩定性的同時明顯的提高進給量。但是,不是在所有深孔加工工況下都采用可調節的壓電刀柄能夠得到較好的效果,有些工況下采用不可調節的壓電刀柄反而更好。這一點也通過壓電刀柄調節、控制的程序語言中得到了注明,多層次的調節控制程序有着比簡單調節控制程序更大的提高效率的潛力。從而也提供了在付出不多的情況下得到更好的結果:深孔加工中有着更大的優化潛力可以挖掘。

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