高动态力分析:多特蒙德工业大学测试奇石乐新型MicroDyn测力仪


The Institute of Machining Technology (ISF) at Dortmund Technical University (TU) has spent more than four decades researching and teaching in the field of machining covering all relevant machining processes and related technical subjects. A team of research associates are currently working in the Collaborative Research Center (CRC) Transregio 73. As part of sub projects B2 and B3, research is being conducted into the manufacture and modification of forming machines on which very hard tool steels (> 60 HRC) have to be machined with micro tools. Kistler provided the ISF with the new MicroDyn 9109AA cutting force dynamometer for the project. Thanks to its very high natural frequency, the world's smallest dynamometer unlocks completely new possibilities for the institute in the development of its micromachining processes – with astounding results. 

The ISF currently numbers more than 80 research associates, technical and student supporting staff, who are engaged in three research departments: machining, grinding technology and simulation and process development. The departments are equipped with modern machine tools and machining centers to achieve machining processes of the highest standard. The scientists also have access to comprehensive measurement technology and a computer infrastructure with well-developed basic equipment. Suitable premises and laboratories enable tests to be performed in the right framework conditions and the results precisely evaluated.

Micromachining new standards
The dynamometer 9109AA from Kistler is in use at the ISF since February 2018. The world’s smallest dynamometer is able to reliably measure cutting forces and feed

多特蒙德工业大学(TU)机械加工技术研究所(ISF)开展机械加工领域研究和教学已达四十多年,涉及所有相关机械加工工艺和技术科目。目前,一个由助理研究员组成的团队正在开展合作研究中心(CRC)的Transregio 73研究项目。作为B2和B3子项目的组成部分,该团队正在对用微型刀具加工超硬工具钢(洛氏硬度大于60)的成型机械的制造和改良进行研究。奇石乐向ISF提供了新型MicroDyn 9109AA型切削力测力仪,用于该项目的研究工作。凭借其超高的固有频率,这台全球最小的测力仪为该研究所在开发微加工工艺方面打开全新的局面,而且所取得的成果令人惊叹。

目前,ISF拥有80余名助理研究员、技术人员和学生辅助人员,分别在机械加工、磨削技术、仿真与工艺开发三个研究部门从事研究工作。为了达到最高标准的加工工艺,这三个部门均配备有现代化的刀具和加工中心。此外,ISF的科学家们还可以利用综合测量技术以及配有完善基础设备的计算机基础设施。合适的场地和实验室,不仅能使试验在适当的框架条件下开展,而且还可以实现测试结果的精确评估。

克服经济和生态挑战的新制造技术

作为合作研究中心Transregio 73研究项目的组成部分,多特蒙德工业大学正在与汉诺威莱布尼茨大学和埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学开展合作。合作研究中心是在德国研究基金会(DFG)的资助下设立的,目的在于开发一项被称为金属薄壁件成形(SBMF)的新型制造技术。该技术旨在融合薄件和大型金属件成形工艺的优点,在组件复杂度方面开辟更多可能性。除开发成形工艺外,合作研究中心制造的具有特殊性能的创新成形刀具代表其朝着技术转化为实际工业应用这一目标迈出了重要的一步。微加工在形状要求、尺寸精度和表面完整性方面带来诸多显著效益的同时,还提高成形刀具的制造效率和效益,延长刀具的使用寿命。

“倘若无测量技术,科学家们将仍在黑暗中摸索” 

Eugen Krebs已在ISF担任助理研究员多年,目前与合作研究中心Transregio项目的Alexander Meijer一起负责B2子项目。他们二人在研究所的工作以微加工研究为主。他们的职责包括开发用于各自加工任务的工艺和刀具,为此,他们需要适当的测量技术。“由于微加工的尺寸极其精细,所以微加工要求测量设备符合最高标准。机械加工过程中可能产生超大范围的高动态力,可靠测量和分析这些力对我们的工艺评估工作至关重要。若没有测量技术,我们这些科学家将仍在黑暗中摸索。”Krebs说道。自2010年以来,他与其他22名助理研究员一起,一直致力于合作研究中心Transregio项目的研究工作。“合作研究中心Transregio73项目在必需的成形技术开发方面发挥重要作用,因此也在克服当前经济和生态挑战方面发挥重要作用,”Krebs表示,“该项目奠定的科学基础,将使我们能够满足日益增长的对功能丰富化、定制化、灵活化系统的需求。”该项目取得的成果将提高成形工艺的经济和资源效率。

苛刻的工艺要求 

在薄壁件成形加工中的成形刀具由极为精细、复杂同时须具备高抗应力的成形元件构成。“我们之所以对该项目中用来制造成形刀具的诸多材料不予考虑,是因为其根本不符合我们的要求。”Krebs继续说道。最终,他们选用了一种粉末冶金高速钢,该钢具有高耐磨性和尺寸稳定性,而且表面洛氏硬度可达65。“在Transregio项目之初,我们曾经怀疑究竟是否可以利用微型刀具(直径d小于1mm)可靠地加工这种性质的材料。B2子项目的研究重心曾经就是攻克这一难题。”

机械加工过程中可能产生超大范围的高动态力,可靠测量和分析这些力对我们的工艺评估工作至关重要。若没有测量技术,我们这些科学家将仍在黑暗中摸索。
ISF助理研究员Krebs解释道。

 

解决方案:具有高固有频率的刚性测量技术

采用0.2 ~ 1 mm直径的刀具用于高强度材料微加工工艺开发,需要进行深入的加工试验,以确定适当的工艺参数,以及刀具的优化。开展此项工作所需要的可靠测量技术,在单个工艺流程中,既要能非常灵敏、准确地作出响应,又要能精确地测量从不足1 N到大于200 N的力。此外,ISF要求的另一项测量技术关键指标是高固有频率。“如果测力系统的固有频率范围小于4,000赫兹,那么测力平台在微加工过程中会出现过度颤动,导致我们最终测到的可能是平台的振动,而不是切削力信号。”Krebs说道。对测量技术而言,高刚性是确保温度、冷却润滑剂等外部影响因素对工艺不造成影响的重要条件。最终,研究团队将可重复性和测量精度作为优先考虑重点。“我们频繁重复测量,次数高达五至十次。当然,对于获得同一测试具有可比性、可靠的结果而言,这一点至关重要。

和奇石乐一起探索不可能

MicroDyn 9109AA型切削力测力仪不仅满足上述所有ISF要求,还具备其他诸多优点。“多特蒙德工业大学和奇石乐集团长期以来密切合作。我们以前经常采用不同的奇石乐测力仪开展研究,迄今为止,我们对这些测力仪都很满意。当我们有机会试用奇石乐新型MicroDyn 9109AA型测力仪原型机来评估我们的刀具改良分析结果时,我们欣然接受了这一机会。”Krebs说道。

ISF自2018年2月以来一直在使用该测力仪。使用后有什么变化?Krebs表示:“在使用奇石乐新型测力仪前,我们的难题是微加工力的测量总会受到测量仪器固有频率的影响,而现在我们不再需要对付这一难题。由于x、y和z三个轴上的固有频率都高达15 kHz,所以我们可以在主轴转速高达160,000 rpm的情况下测量高动态力。与前代产品相比,该产品将动态性能提高了2.5倍。”此外,该仪器的尺寸也与高达500 N的量程相匹配。“我们采用自己的测量技术从未取得过此种结果。MicroDyn测力仪在拓展可能性界限方面起到了重要作用。我们现在可以MicroDyno来分析刀具直径小且切削速度vc > 500 m/min的工艺,”Krebs评述道。“开发出这项测量技术,让我们对以前因技术限制无法触及的微加工有了新的深刻认识。”

尽管Transregio 73研究项目将于2020年底结束,但Krebs和Meijer计划将继续使用奇石乐测力仪。“我们希望进一步探索刀具的可改良之处,进一步拓展微加工工艺极限。因此,我们期待奇石乐的测量技术专家继续支持我们的工艺开发工作。”