刀具悬伸效应

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　　对于高速加工，可能需要对加工过程进行与直觉相对立的调整。在发生颤振时，人们自然的反应是降低主轴转速，但事实上增加转速却是一种生产率更高的解决方法。对颤振问题另一种经常想到的方法是换用一种长径比较低的刀具，因为人们认为较短的刀具韧度较高。但是，在某些情况下，长度较高的刀具却可以提供更好的加工操作。

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　　这些现象的第一种，即颤振和转速之间的关系，已经被许多车间理解，包括那些经常使用这种知识的车间在内。主轴转速、刀夹和切削刀具的每个不同组合都代表了一种特别的有它自己固有(多个)稳定特征频率的动态系统。进行这样的铣削-使切削刃冲击速度几乎与这些谐振频率之一匹配，且刀具可以(比更快或更慢速度可以切削的切深)更高的切深进行平滑切削。那些已经发现这些“有效击球点”可以为其加工过程产生什么样的好处的加工车间不愿意降低主轴转速来避免颤振，他们却用可利用的最高稳定速度来实现较高的材料去除率。

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　　在颤振和刀具悬伸方面也存在一定的关系，而这种关系却没有得到人们的青睐。在这里刀具悬伸被定义为刀具突出刀夹的长度。弹簧夹和热收缩配合刀夹提供了改变刀具悬伸长度的自由度。利用这种变化，那些已经用固有的稳定主轴转速进行高速加工的车间可以实现甚至更高的生产率。

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　　以稳定主轴转速进行加工所存在的一个限制是，过程的最高速度一般没有使用，而最高金属去除率却产生于最高稳定转速，因为在这种速度下可以产生高得多的切深。最高转速和最高稳定速度是两个不同的数值。但却不一定非要这样。改变刀具悬伸长度会改变整个系统，因此会改变特征频率。因此，为什么不通过选择精确刀具悬伸-让“有效击球点”正好落在主轴最高转速处-而对系统进行“调谐”呢？

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　　有一个开发这种加工过程微调方法的研究者名叫Tony Schmitz，他是佛罗里达机床研究中心大学的助理教授。Schmitz教授将这种调谐称为“敏感性匹配亚结构分析”。他所工作的机构是一个高速加工研究中心，具有一个实验室，除了其它资源外还包括一台英格索尔(Ingersoll)高速加工中心。

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　　为了确定对于某个给定应用场合的最佳刀具悬伸，Schmitz博士进行了一种“敲打实验”-类似于某些车间为了找出自己最佳转速而进行的实验(见图1)。在该实验中，要在组成加工系统的机床和刀具组合体上附装一个传感器，同时还有一个用于敲打该系统的精巧的锤子以及用于测量频率响应的分析工具。Schmitz博士首先在刀夹中没有装刀的情况下进行了这种实验。然后进行第二实验来评价刀夹和刀具之间连接中的韧性和阻尼。当这些都知道以后，刀具本身就很简单，它对频率响应所起的作用就可以用数学方式进行模型制作了。有了所有这些信息，Schmitz博士就可以计算特定的悬伸长度-允许该特定系统在靠近主轴最大转速处进行较深的切削而不发生颤振现象的悬伸长度。

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　　Schmitz教授当然知道，只有少数车间知道如何对自己的机床进行敲打实验，甚至更少的车间拥有计算最佳悬伸长度所必需的振动知识。但是，他在不同应用领域实施的刀具微调研究，对何时增加刀具长度提供了总体的方法，且这种方法不需要数学方面的深层理解。这种研究可以为那些当前利用低颤振转速的车间提供帮助，同时还可以对那些努力将高主轴速度与高长径比结合起来的车间提供帮助。