盡管文章中所描述的各個(gè)“新理念”成為相關(guān)研究和開發(fā)的主題至今已有一定時(shí)間，但是下面的題目依然是恰當(dāng)?shù)摹＿@些理念幾乎對(duì)每個(gè)讀者都是新的。 

以500,000 r/min進(jìn)行微細(xì)銑削加工 
對(duì)表面位置誤差的理解 
超越蠕墨鑄鐵中的速度極限 
給有關(guān)手冊(cè)一只援手 

   這些主題包括微觀加工和宏觀加工之間的區(qū)別；單單來(lái)自主軸的各種尺寸誤差；通過(guò)對(duì)刀具進(jìn)行根本改變而實(shí)現(xiàn)對(duì)難加工金屬進(jìn)行快速切削的機(jī)會(huì)；專門針對(duì)高速加工計(jì)算參數(shù)的軟件。這些選擇加在一起，為可能影響高速加工在將來(lái)的應(yīng)用方式的研究和創(chuàng)新提供了一些特定方式樣板。 

   這些文章是依據(jù)可接近性而排列的。第一篇文章中所介紹的研究對(duì)象，即開發(fā)一個(gè)轉(zhuǎn)速達(dá)500,000 r/min的微型主軸，可以證明是最具“野心”的一種目標(biāo)。同時(shí)它也是距離實(shí)現(xiàn)任何實(shí)用生產(chǎn)應(yīng)用最遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。通過(guò)對(duì)比，最后一篇文章中所描述的編程員的新工具代表了一種戲劇性效果較低的開發(fā)……但是它是現(xiàn)在就可以應(yīng)用的一種開發(fā)。 

以500,000 r/min進(jìn)行微細(xì)銑削加工 

研究者旨在開發(fā)一種可以解釋宏觀和微觀加工之間差異的主軸。 

   對(duì)于“微細(xì)”零部件方面的發(fā)展趨勢(shì)，看看宏觀世界就可以知道。以常規(guī)尺寸進(jìn)行制造首先用于制造靜止的目標(biāo)。只有在稍后的時(shí)間它才用來(lái)制造運(yùn)動(dòng)組件中的零件。類似地，微細(xì)制造也是從靜止物體開始向微型機(jī)械中的零部件發(fā)展的。 

   但是這些微型移動(dòng)部件的設(shè)計(jì)和屬性是受到嚴(yán)格限制的。它們的生產(chǎn)如今一般涉及成層建造，即微型石版印刷術(shù)。因此材料的選擇包括硅或?yàn)R射金屬，幾何形狀限于可以通過(guò)分層堆疊而形成的2½維形狀。為什么設(shè)計(jì)者不可以用從實(shí)心鋼加工的三維幾何形狀指定微觀零件呢？ 

   這個(gè)問(wèn)題的答案主要在于速度或者說(shuō)缺少速度。微細(xì)刀具需要較高的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)高效切削速度及生產(chǎn)性金屬去除率。對(duì)高效三維銑削需要多高速度所進(jìn)行的分析表明，該數(shù)值大約為500,000r/min。  

   對(duì)這個(gè)數(shù)字本身而言并不是很高。牙醫(yī)的牙鉆速度可以達(dá)到300,000 r/min。但是牙醫(yī)的牙鉆跳動(dòng)可能達(dá)到10微米。在微細(xì)銑削中，這么高的跳動(dòng)相當(dāng)于切屑厚度的10倍左右。 

   這種與牙醫(yī)的牙鉆所進(jìn)行的比較是佛羅里達(dá)州Gainesville市佛羅里達(dá)大學(xué)機(jī)床研究中心的教授John Ziegert提出來(lái)的。Ziegert博士正負(fù)責(zé)500,000 r/min主軸的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，這種主軸將可以銑削鋼及類似金屬以形成幾百微米數(shù)量級(jí)的復(fù)雜特征。這種主軸將采用直徑為0.010英寸及以下，現(xiàn)在一般只用于諸如鋁、石墨和塑料等軟材料中加工簡(jiǎn)單特征的刀具。 

   該大學(xué)正在實(shí)驗(yàn)其第一個(gè)500,000 r/min的實(shí)際產(chǎn)品。如果證明該主軸可以可靠地進(jìn)行切削，則會(huì)被送往Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行加工試驗(yàn)。通過(guò)其微觀系統(tǒng)研究項(xiàng)目，Sandia已經(jīng)具備了制造直徑小至25微米的銑刀的能力。過(guò)去對(duì)這種刀具進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)一直限于速度不超出30,000 r/min的主軸。這么低的速度允許的進(jìn)給速度最好以每小時(shí)若干英寸表示，僅5~14英寸/小時(shí)。 

微觀與宏觀  

   開發(fā)主軸的大部分工作涉及調(diào)研在微細(xì)加工方面所進(jìn)行的已經(jīng)形成文獻(xiàn)資料的研究以及吸收這種早期工作所得到的教訓(xùn)。Ziegert博士說(shuō)這種調(diào)研所得出的兩個(gè)重要結(jié)論說(shuō)明了微觀加工和宏觀加工的區(qū)別。 

   首先，刀具故障模式是不同的。在常規(guī)尺寸加工中，刀具會(huì)磨損。但是在用微尺寸刀具進(jìn)行加工時(shí)，最終結(jié)果更可能是刀具破損。對(duì)小刀具而言，在發(fā)生比較明顯的刀刃磨損之前，很容易就達(dá)到其彎曲強(qiáng)度極限。 

   第二個(gè)差異是微型加工中的切屑厚度一般小于刀刃半徑。這一點(diǎn)與正常尺寸的加工差異很大，其中切屑的厚度比刀具的刀刃半徑要大好多倍，即使在較輕的精加工過(guò)程中也是如此。如果微型加工中切屑厚度僅僅按比例推算大小，則切削力將很容易超出刀具的彎曲強(qiáng)度。 

   切屑厚度小于刀刃半徑的結(jié)果是由微型銑刀明顯為負(fù)的前傾角決定的。有效的前傾角可能為負(fù)50度�；蛘呱踔量梢员却藬�(shù)值更大。這么大的負(fù)前傾角增加了切屑產(chǎn)生的切削力，這樣就進(jìn)一步需要減少切屑厚度。所產(chǎn)生的切屑負(fù)荷如此輕，因此一個(gè)非常高的主軸轉(zhuǎn)速可以將“ipr”（轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)換成生產(chǎn)性的“ipm”（切削速度）。  

   Ziegert博士對(duì)這些與彎曲強(qiáng)度及切屑厚度有關(guān)的問(wèn)題所進(jìn)行的分析，正是導(dǎo)致他得出500,000r/min的估計(jì)轉(zhuǎn)速的原因所在。 

無(wú)刀夾 

   佛羅里達(dá)大學(xué)設(shè)計(jì)的速度這么高的主軸采用切削刀具的刀柄做主軸的軸。而受速度不斷增加的摩擦輪的驅(qū)動(dòng)，刀具會(huì)比該組件任何其它部件都轉(zhuǎn)得更快。 

   Ziegert博士說(shuō)，沒(méi)有任何其它解決方案會(huì)使主軸達(dá)到所要求的低跳動(dòng)。常規(guī)的銑削主軸采用刀夾使刀具成為主主軸的加長(zhǎng)體。但是沒(méi)有任何刀夾夾緊機(jī)構(gòu)—彈簧夾頭、熱收縮配合—可以將微型刀具保持足夠同心，從而可以在硬金屬中進(jìn)行精確的三維銑削加工。 

   相反，刀柄在客戶空氣軸承中單獨(dú)自轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)摩擦輪的主軸以刀具速度的1/10左右運(yùn)轉(zhuǎn)，以50,000r/min傳送0.01 Nm的轉(zhuǎn)矩。  

   Ziegert博士說(shuō)，他可以從經(jīng)驗(yàn)中指出微觀和宏觀加工之間一種更根本的差異。在微觀加工中，如果不借助有關(guān)設(shè)施，人眼或人耳無(wú)法確定刀具何時(shí)已經(jīng)破損。一把在（8小時(shí)的）循環(huán)一開始就斷裂的刀具有可能不會(huì)一斷裂就被發(fā)現(xiàn)，很可能要等到8小時(shí)循環(huán)周期過(guò)后才被發(fā)覺(jué)。 

   因此，這種主軸另一個(gè)關(guān)鍵元件是連續(xù)監(jiān)視加工力的三軸傳感器。為了讓微型加工主軸可以高效進(jìn)行加工，需要一個(gè)安全“警衛(wèi)”來(lái)確保刀具時(shí)刻處于切削過(guò)程中。 

對(duì)表面位置誤差的理解 

將轉(zhuǎn)速改變幾百r/min，刀具的有效切削半徑就可能會(huì)發(fā)生變化。 

   許多以高主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行銑削加工的車間都可以理解為什么轉(zhuǎn)速方面很少的變化可以導(dǎo)致切深的巨大改善。這種解釋與顫振、以及高速主軸在轉(zhuǎn)速范圍某些窄窄的區(qū)域發(fā)生“諧振”的趨勢(shì)有關(guān)。挑選一個(gè)對(duì)應(yīng)于這些穩(wěn)定區(qū)域之一且顫振會(huì)消失的轉(zhuǎn)速，讓刀具可以進(jìn)行較高切深加工。 

   但是即使是那些對(duì)以這種方式避免顫振很熟悉的車間也會(huì)遇到相關(guān)的危險(xiǎn)。不再顫振的刀具卻依然在振動(dòng)。實(shí)際上，當(dāng)顫振消失后，刀具趨向于以甚至更高的振幅發(fā)生振動(dòng)，因?yàn)榈皖澱裰鬏S速度發(fā)生在系統(tǒng)本質(zhì)上趨向于振動(dòng)的那些“自然頻率”上。而這種振動(dòng)則有可能影響刀具的切削直徑。 

   換言之，大量跳動(dòng)可能僅僅來(lái)源于主軸轉(zhuǎn)速。以13,000r/min銑削到0.065英寸厚的薄壁，如果以14,000r/min銑削，則可能只有0.061英寸厚，因?yàn)檎駝?dòng)在兩側(cè)增加了0.002英寸的誤差。在兩種情況下，機(jī)床、刀具及刀具路徑都是一樣的。只是主軸速度發(fā)生了變化，而僅此就足以引起加工后的表面產(chǎn)生不同的景象。這種現(xiàn)象被稱作“表面位置誤差”。 

誤差的避免 

   這種現(xiàn)象本來(lái)一直存在，只不過(guò)是高速加工使它引起了人們的關(guān)注。上面例舉的薄壁實(shí)例是比較現(xiàn)實(shí)的，這一點(diǎn)有若干原因。首先，車間習(xí)慣于認(rèn)為他們自己的低顫振速度有助于為飛機(jī)行業(yè)提供服務(wù)，加工實(shí)心鋁薄壁零件。其次，實(shí)例中的誤差數(shù)量級(jí)—針對(duì)1,000r/min的轉(zhuǎn)速變化發(fā)生0.002英寸的誤差—是一種在對(duì)高速銑削代表性設(shè)備進(jìn)行的試驗(yàn)中測(cè)得的典型誤差。 

   有一個(gè)研究機(jī)床表面位置誤差的研究者名叫Philip Bayly，他是密蘇里州的圣路易斯華盛頓大學(xué)的一名機(jī)械工程教授。Bayly博士及這里的其他人員正在開發(fā)一種稱作“時(shí)間有限元分析”的研究方法，這種方法可以同時(shí)預(yù)測(cè)穩(wěn)定性和表面位置誤差。對(duì)于主軸和刀具給定的組合，這種時(shí)間有限元分析法可以用來(lái)找出使穩(wěn)定性最高而誤差最低的最佳主軸速度。以前也可以進(jìn)行這種預(yù)測(cè)，但是時(shí)間有限元分析法卻可以進(jìn)行足夠快的計(jì)算，快得可以將分析在一天中就結(jié)合到在車間運(yùn)行的軟件中。 

   但是即使沒(méi)有這種軟件，Bavly博士說(shuō)車間也依然可以控制誤差。這種誤差的一個(gè)特征是，它趨向于發(fā)生在一個(gè)甚至比無(wú)顫振穩(wěn)定加工范圍還要更窄的轉(zhuǎn)速范圍。這意味著，簡(jiǎn)單地通過(guò)調(diào)高/低發(fā)生誤差的速度設(shè)置，就可以避免誤差，卻依然保持無(wú)顫振。改變100或200r/min可能就足夠了。 

   最重要的一步是在發(fā)生誤差時(shí)，簡(jiǎn)單地將它識(shí)別出來(lái)。盡管將尺寸誤差歸罪于裝夾或一些其它更加熟悉的變化源比較容易，但是在嚴(yán)格控制的過(guò)程中發(fā)生故障其可能原因卻更可能是因?yàn)橹鬏S速度引起的。 


超越蠕墨鑄鐵中的轉(zhuǎn)速極限 

回轉(zhuǎn)式刀片加工方面的進(jìn)步可能對(duì)其它難加工材料帶來(lái)了一定啟示。 

   對(duì)蠕墨鑄鐵（CGI）早期進(jìn)行的加工實(shí)驗(yàn)表明，在當(dāng)今的刀具技術(shù)條件下，不能采用特別高的切削速度。而對(duì)于灰鑄鐵，由于其中存在硫，因此可以進(jìn)行比較快的切削。金屬中的硫可以產(chǎn)生一層MnS（硫化錳），在加工過(guò)程中，它可以對(duì)刀具起到潤(rùn)滑作用。但是在蠕墨鑄鐵中，沒(méi)有硫，因此就不存在MnS的作用。沒(méi)有這種潤(rùn)滑作用，在蠕墨鑄鐵中當(dāng)今還無(wú)法期待實(shí)現(xiàn)超出500 平方英寸/分鐘的切削速度。 

   但是如果刀具的切削行為發(fā)生改變，那么確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)更快的切削。 

   在過(guò)去多年的時(shí)間里，（位于密執(zhí)安州Chesterfield市的）Cincinnati Lamb公司的研究者們已經(jīng)通過(guò)采用回轉(zhuǎn)刀片式刀具在加工蠕墨鑄鐵的銑削效率方面取得了巨大改善。在回轉(zhuǎn)刀片式刀具中，每個(gè)切削刀片都安裝在一個(gè)軸承上，因此刀片可以自由自轉(zhuǎn)。利用這種刀具設(shè)計(jì)，該公司已經(jīng)在蠕墨鑄鐵加工中實(shí)現(xiàn)了超出3,000平方英寸/分鐘的速度，而采用相同的陶瓷刀片材料在比較常規(guī)的刀體上卻被限于較慢的轉(zhuǎn)速。刀具壽命也發(fā)生了成正比的改善。  

   Cincinnati Lamb公司工程經(jīng)理George Georgiou指出，這種刀具工作的方式與19世紀(jì)以來(lái)所采用的金屬加工方式不同。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)銑刀，加工涉及給工件材料施加過(guò)強(qiáng)的力量以剪切掉切屑，讓能量損失轉(zhuǎn)換成熱�；剞D(zhuǎn)刀片式刀具增加了該過(guò)程刀片的回轉(zhuǎn)，因此某些能量花費(fèi)在驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)方面。降低切削中的熱量可以保護(hù)刀具，并改善其性能。 

   刀具設(shè)計(jì)本身不是一種新技術(shù)�；剞D(zhuǎn)刀片式刀具已經(jīng)問(wèn)世很長(zhǎng)時(shí)間，在某些場(chǎng)合用于加工灰鑄鐵，延長(zhǎng)刀具壽命。但是，對(duì)于大多數(shù)零件，這種刀具設(shè)計(jì)已經(jīng)成了試圖發(fā)現(xiàn)某個(gè)問(wèn)題的一種解決方案。配備精密軸承的刀體其成本一般無(wú)法通過(guò)刀具可以提供的工藝改善而帶來(lái)的價(jià)值加以抵消。但在蠕墨鑄鐵中所帶來(lái)的改善程度卻是一個(gè)例外。 

更高功率 

   Georgiou先生說(shuō)，Cincinnati Lamb公司及其它金屬加工供應(yīng)商當(dāng)前給予蠕墨鑄鐵的關(guān)注直接與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)量提高有關(guān)。各種汽車制造商都設(shè)想重新給美國(guó)客車市場(chǎng)推出柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)檫@種發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)在燃料方面具有更高的經(jīng)濟(jì)性。而蠕墨鑄鐵使得燃料方面的經(jīng)濟(jì)性甚至更高。與灰鑄鐵相比，用蠕墨鑄鐵制成的發(fā)動(dòng)機(jī)能以更小的體積提供相同的功率。  

   這種材料所具備的高強(qiáng)度使得這一點(diǎn)成為可能，但是同樣是這種特征使得該材料很難加工。由于需要較高的力，因此Cincinnati Lamb公司在切削蠕墨鑄鐵方面所取得的成功不僅依賴于回轉(zhuǎn)刀片式刀具，同時(shí)還歸功于高功率、高剛性的機(jī)床。 

   該公司如今的目標(biāo)是改善回轉(zhuǎn)刀片式刀具的結(jié)構(gòu)。這一點(diǎn)被看作是實(shí)現(xiàn)更加實(shí)用的蠕墨鑄鐵銑削過(guò)程所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。軸承套筒給刀具帶來(lái)了一種全新的磨損元件，因此對(duì)這種套筒的新結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的工程師們將目標(biāo)放在取得更長(zhǎng)和更加一致的使用壽命上。同時(shí)，工程師們正努力降低刀具的最小尺寸。當(dāng)前的回轉(zhuǎn)刀片式刀具可以加工直徑小至3英寸的孔。Cincinnati Lamb公司希望將該極限至少降低到2英寸。 

   所有針對(duì)回轉(zhuǎn)刀片式刀具的改善提出的一個(gè)希望是，它將不僅導(dǎo)致在汽車行業(yè)盈利，同時(shí)在其它應(yīng)用中也如此。Georgiou先生說(shuō)：“沒(méi)有任何理論方面的理由表明這種概念無(wú)法用于鈦、鉻鎳鐵合金、耐高熱鎳基合金、金屬矩陣復(fù)合材料以及過(guò)去很難加工的其它材料�！�  
 
給有關(guān)手冊(cè)一只援手 

軟件計(jì)算器可以提供速度、進(jìn)給速度和切深等標(biāo)識(shí)高速切削的最明顯特征的數(shù)值。 

   對(duì)于高主軸速度與低切深的組合而言，有一種將許多加工數(shù)據(jù)表置之腦后的方式。切屑變薄、顫振以及球頭刀具切削半徑減小的可能性等都是一些可以認(rèn)為（某手冊(cè)中推薦的高速加工過(guò)程）切削參數(shù)無(wú)效的共同現(xiàn)象。以高轉(zhuǎn)速和低切深運(yùn)行的車間通常必須通過(guò)在自己的車間進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)才能找到最佳切削參數(shù)。 

   但是實(shí)驗(yàn)是唯一獲得這些數(shù)據(jù)的方式嗎？針對(duì)切屑變薄、對(duì)球頭刀具的有效半徑甚至針對(duì)顫振而調(diào)節(jié)的切削參數(shù)等均可以通過(guò)數(shù)學(xué)方式加以預(yù)測(cè)，條件是給該數(shù)學(xué)模型提供足夠的信息。沒(méi)有任何一個(gè)打印在紙上的數(shù)據(jù)表可以提供所有這些信息，但是軟件設(shè)施卻可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。 

   這就是兩名在加利福尼亞州圣地亞哥工作的CAD/CAM編程員最近開發(fā)的高速加工計(jì)算器（High Speed Machining Calculator）背后的理念。在往數(shù)據(jù)區(qū)中輸入有關(guān)刀具和切削的合適信息后，計(jì)算器會(huì)給出推薦的充分考慮了高速和低切深效應(yīng)的銑削參數(shù)。計(jì)算器在用戶的CAM軟件頂部一個(gè)小窗口中運(yùn)行。  

   其開發(fā)者，Arnel Canja與Terrell Moose，擁有為模具、飛機(jī)零部件以及當(dāng)?shù)睾＼娍者\(yùn)庫(kù)其它零件進(jìn)行編程的經(jīng)驗(yàn)。海軍組織可以免費(fèi)使用該軟件，Canja與Moose可以將其銷售給別人。這種行銷已經(jīng)證明是這對(duì)夫妻所面臨的挑戰(zhàn)之一（早期的一個(gè)經(jīng)銷商已經(jīng)申請(qǐng)破產(chǎn)）。該計(jì)算器如今可以通過(guò)Compu-快速軟件（Compu-fastSoftware）獲得。 

高速加工效應(yīng) 

   “切屑變薄”是這種軟件要處理的效應(yīng)之一。針對(duì)銑削中切屑負(fù)荷而提供的加工數(shù)據(jù)表的推薦值趨向于假定刀具完全嚙合，意味著每個(gè)刀齒都通過(guò)180度旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削。對(duì)于以較低徑向深度進(jìn)行精加工切削的立銑刀，刀具嚙合實(shí)際要大大小于此值。當(dāng)徑向深度較低時(shí)，高速加工計(jì)算器通過(guò)提高進(jìn)給速度而將這一點(diǎn)考慮進(jìn)去，以便保持切屑負(fù)荷具有生產(chǎn)性意義。對(duì)于球頭銑刀，軸向和徑向深度都要考慮。 

   采用三角學(xué)中可比做法來(lái)調(diào)節(jié)球頭銑刀的有效半徑。對(duì)于這種刀具，切削半徑不一定要與刀具半徑相同。任何軸向切深小于球半徑的情況都不會(huì)采用球的全部直徑，從而降低有效切削半徑。該計(jì)算器不僅提高了淺切削中的轉(zhuǎn)速值，以維持目標(biāo)切削速度“平方英寸/分鐘（sfm）”數(shù)值，同時(shí)還在標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)參數(shù)允許較高表面速度（采用小直徑刀具）的場(chǎng)合提高sfm數(shù)值。  

   對(duì)于顫振，該計(jì)算器的方法可能比此要稍微欠準(zhǔn)確一點(diǎn)。低顫振主軸轉(zhuǎn)速的真實(shí)計(jì)算將需要對(duì)主軸的頻響進(jìn)行分析。該計(jì)算器沒(méi)有這種功能。相反，它依賴于用戶自己的顫振特征，結(jié)合建立在聲學(xué)領(lǐng)域的諧振式諧波理論基礎(chǔ)上的分析。 

   用戶將顫振描述為嚴(yán)重、中等或輕度。然后用戶在兩個(gè)可能表征顫振性能的諧波模型之間進(jìn)行選擇。此時(shí)，計(jì)算器已經(jīng)針對(duì)這種顫振準(zhǔn)備好了加工參數(shù)，包括發(fā)生這種顫振的轉(zhuǎn)速數(shù)值在內(nèi)。基于這些輸入，軟件會(huì)提出針對(duì)特定低顫振主軸轉(zhuǎn)速的一些建議數(shù)值。 

   對(duì)該軟件的這種特定特征還沒(méi)有確切的把握。它處理顫振問(wèn)題的有效性有多高只有在更多車間使用后才能得知。但是，它確實(shí)有一個(gè)很吸引人的“賣點(diǎn)”—可以在不具備測(cè)量機(jī)床低顫振轉(zhuǎn)速技術(shù)或不進(jìn)行這方面培訓(xùn)的情況下掌握高速加工中的顫振情況。