UNCC 研究人员将调制引入刀具路径。断屑是目标,但更高的金属去除率是一个有趣的次要效应。

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UNCC 实验室的这种不锈钢加工操作模拟了国防相关制造商将半球形形式加工成放射性材料的过程。阅读以下内容,了解通过找到最安全有效的方法来加工该零件所带来的生产力发现。

北卡罗来纳大学夏洛特分校 (UNCC) 的研究人员正在寻找一种可靠的断屑方法,这可能也打破了其他东西:车削生产率的物理限制。“调制车削”,他们的断屑技术涉及刀具路径中的振荡,已显示出作为一种在车削中实现更高金属去除率而不对工艺进行任何其他改变的方法。

断屑槽

研究员 Ryan Copenhaver 车削时长长的切屑

研究员 Ryan Copenhaver
说明了这个问题。像这样的长条状切屑在任何车削操作中都是潜在的问题,但当针对辐射暴露的安全预防措施阻止操作员轻松清除它们时,它们的问题就更加严重了。

Tony Schmitz 教授在 UNCC 领导这项研究。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的特殊制造设施,该设施涉及制造核武器。由于该设施加工放射性材料,因此断屑是一个至关重要的问题——也许是加工过程中最重要的问题。由于暴露的危险,操作员不能像在另一个加工过程中执行这些步骤一样容易地与过程进行交互以清除切屑或更换工具。对于旨在将放射性工件加工成半球形形状的车削操作,该工厂正在寻找一种比使用切削刀具的断屑槽形式更一致和更可靠的断屑方法。

前 UNCC 研究员 Scott Smith(现在在橡树岭国家实验室工作)开始了这项工作,发现仅编程的 CNC 运动就足以在路径中提供这种重复的反转。他帮助开发的后处理器根据程序员选择的幅度和频率将循环反转添加到编程路径中。半球形车削涉及 X 轴和 Z 轴的插补,路径的反转遵循相同的插补曲线。断屑反转的参数落在每秒 0.5 到 3.0 次反转(频率)的范围内,典型的反转相当于沿路径向后退 0.005 英寸(幅度)。

使用调制车削产生的小切屑

更好的情况是:容易脱落的小芯片。UNCC 研究人员通过后处理刀具路径实现了这种断屑,该刀具路径在切削中引入了有规律的振荡。

Schmitz 博士在断屑效应得到证实后开始了这项研究。他研究了对表面光洁度的影响,但也探索了项目最初目标之外的其他积极影响。“这些反转的幅度和频率现在是我们可以用来影响过程的额外旋钮,”他说。调整这些旋钮可以带来的改进之一是提高生产力。

完成和生产力

至于表面光洁度,刀具在切削时后退和前进确实会产生比连续切削更粗糙的光洁度。但重要的是,损害是一致的——这意味着可以通过一致的后续步骤来克服它。Schmitz 博士和 Copenhaver 先生使用 304 不锈钢(放射性物质的近似替代品)研究了“弹簧通道”在改善最终光洁度方面的有效性。弹簧走刀只是用相同的刀具再次运行相同的刀具路径,位置没有变化,允许切削刃去除少量的额外材料。测试涉及带和不带弹簧通道的连续切削,以及带和不带弹簧通道的调制车削,还包括调制车削。

转弯稳定叶图

转弯时的稳定叶图通常看起来像这样。该图显示了切削深度与转速的关系;在这些线下方可以找到稳定的切割。因此,不同的速度可能允许在不同的切削深度下保持稳定性。但所有这些都假设连续进给。调制车削可以在给定的速度下允许不同的深度。

但现在是对生产力的影响。Schmitz 博士说,在车削过程中,实际上在所有芯片制造过程中,金属去除率受到“波纹再生”这一未被充分认识的现象的限制。这是通过加工路径留在表面中的波浪趋势,以产生切削力变化,从而放大与机床和整个加工系统的谐波特性相关的振荡。自我放大效应会导致颤振,在某些速度和切削深度的组合下,它会产生足够大的颤振,从而抑制生产性加工并迅速导致刀具故障。当切割参数过于激进时,波纹的再生通常是参数组合不起作用的原因。

然而,调制车削——对刀具路径进行编程,使零件每旋转一次切削刃可能会反转两到三次——具有中断这种再生的效果。因此,只要反转是路径的一部分,一组以前可能过于激进的参数就可以变得足够稳定以有效削减。因此,仅仅为了引入调制车削而对刀具路径进行后处理可以使一组先前过于激进的参数有效地进行切削,而无需对刀具、速度、切削深度或名义进给率进行任何改变。UNCC 的研究人员已经证明了这一点,这张图说明了这一发现:

调制车削在不同频率和幅度下的稳定和不稳定切削图

两个调制车削参数的图表——每转振荡 (OPR) 与进给的相对振幅 (RAF)——显示了在给定切削参数集下调制车削的效果。图示的切削条件是
1026 钢的 400-sfm 速度、0.003-ipr 进给率和 0.1772 英寸切削深度。图中绿色区域为不稳定切割。如果没有调制车削
(OPR = 0, RAF = 0),在这些参数下的切削是不稳定的。然而,对于 OPR = 1.5 和 RAF = 1
的调制车削,相同的切削参数允许稳定切削。

引入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转向目标的范围。核制造商想要一个安全且可预测的过程,而不一定是一个更有生产力的过程。但其他制造商显然将生产力放在首位。对他们来说,调制车削可以增加现有车床的潜在产量,因为它允许增加切削参数而不会出现颤振。它可能是任何 CNC 车床都可以使用的技术,可以更快地进行切削,因此 Schmitz 博士说下一步研究是寻找以生产为导向的赞助商,让他的团队进一步探索这一优势并扩大规模,以发现这种技术的局限性。

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