图1  测量机加工中心动态特性的工作包括了用轻锤敲击设备并测量响应的步骤。每一种机床、刀架和刀具的组合都会产生不同的振动信号。但是，可以对刀具和刀架所贡献的因素建立起数学模型，从而不必测量它们

机床基因组项目承诺让几乎所有机械加工厂都能在更高生产率下运用自己的机加工中心。机械加工厂无须自已敲击测试任何自家机床或刀具就能获得敲击测试所能提供的益处。

许多使用高速铣削主轴的加工厂都熟悉一种特异但实用的现象。具体来说就是，高速机加工中心存在一些“最佳工作点”主轴转速，在这种转速下有可能做到最深度的切削以及最激进的金属切削率。这些最优转速的数值依每一种刀具、刀架和主轴的组合而不同。尽管如此，只需针对给定机床的给定设置找出正确的转速，加工厂就能获得高得多的生产率。

在理论上，找到这些转速是简单的，只需进行直接测量即可。在现实中，在某项生产设置中找到并应用这些转速一点都不简单。但是，有两家提供了这种最佳工作点铣削技术的公司目前正在开展一个项目，这个项目有可能让那些甚至目前还不熟悉这个概念的机加工中心用户可以轻易地找到这些最优铣削转速。

这些最佳工作点转速与机床谐振频率存在一种函数关系。每一种机床和刀具的组合都体现出一些固有频率的特别集合，在这些频率下，机加工中心从本质上就要振动。在切削作业的频率与这些频率相抵触时，振动就发生了。此外，在超过约7500rpm的转速以上，通常就有可能找出一些切削刀刃与工件之间的碰撞与固有频率同拍的rpm数值。在这种情况发生时，切割作业就变得平稳起来。大轴向深度切削就能在不引发振动的情况下进行。

由于存在这种效应，在比如说16410 rpm的最佳工作点下进行的机加工过程就有可能在这一特定转速下达成比该设备在高得多的转速下所能达成结果高出数倍的金属切削率。这个稳定的切割过程还将比更慢转速下达成的切割过程更加平稳。举例来说，如果设备会在10000rpm下发生振动，则冲动的解决方式有可能是降低转速，但更好的响应方式应当是提高转速而不是降低转速，从而在16410rpm下达到安静的切削作业。

图2  这种用于以数学方式预测工具动态特性的模型是在佛罗里达大学开发出来的，此张照片和以下照片也是在这家大学拍摄的。为了验证这个模型，先采用铝材铣削制作了一个巨型立铣刀形状的构造物，这样就可以对这种形状进行敲击测试了

这两家专业研究这一现象的企业是Manufacturing Laboratories Inc. (MLI)和BlueSwarf。MLI生产用于发现机加工中心最佳工作点的MetalMax系统产品。BlueSwarf是这套系统的主销售商。由于前一家公司是后一家公司的共同创建方，所以MLI的所有者Tom Delio博士同时在这两家公司的管理层任职。他表示，这两家公司最近发现，最有效地利用这种机加工现象的方式有可能正是提升转速而不是降低转速。

运用MetalMax系统，加工厂就能通过用轻锤敲击已插入到机加工中心主轴的刀具的方式来找出最优转速。软件将测量敲击的振动响应，然后计算得出可以实现最高生产率的机加工作业的rpm范围。听起来似乎直截了当，但是，轻松的使用方法本身并不足以使得谐振频率均匀一致到足以实际应用的程度。理想频率会随着每一种刀具或刀架型号而有所变动。甚至在刀具悬伸长度改变时理想频率也会变化。因此，想要在整个加工过程中应用此项技术的加工厂不得不测试自己想要采用的每一种高速主轴、刀架和铣削刀具的组合。进一步来说，加工厂必须规范自己的编程人员只使用那些已经找到的每一种组合的理想切削参数。尽管许多机加工设施都采取了这些步骤，但绝大多数并没有准备好实施这种彻底且坚定的流程改变。

Delio博士说，BlueSwarf最初对这种挑战的响应方式是采取细致应对的思维。公司将全力投入于提供咨询服务，逐一地让每一家加工厂具备在最优转速下作业的能力。技术人员深入加工厂亲身执行频率响应测试－也称为“敲击测试”，并且协助加工厂编程人员应用测试结果。公司目前仍然提供此项服务。

但是，Delio博士说，如今一种新的思维方式成为了主导方式。如果不采用步调较为缓慢的亲身咨询方式，而是采用一种能够增加最佳工作点现象发生数量的方式，结果将会如何？ 也就是说，如果有一条路径能够让我们将动态稳定参数以远超出MLI或BlueSwarf曾经想像范围的更广泛的方式投入应用的话，结果会如何？

在每一次这两家公司对一台设备进行敲击测试时，针对这一特定设备型号的信号就被采集起来。MLI正在以这种方式发展一个机加工中心频率响应的数据库。与此同时，刀架和铣削刀具的几何形状都足够简单，以致于不必进行物理测量就可得到它们的频率响应特性。所以可为这些部件建立数学模型。在Tony Schmitz指导下的佛罗里达大学机床研究中心多年以来一直在努力精密地深化这一理论建模方式。而且，如果机床、刀架和刀具的振动信号都已经分别得知，则可以通过数学方式将这些特性汇总起来。

因此，可以想像，如果将所有机加工中心、刀架和铣削刀具的动态特性纳入同一个数据库。那么，这个数据库的用户就能够轻松地从菜单中选择自己所使用的机床，以同一方式选择刀架和刀具，并根据这些选择就可以知道哪些切削参数将达到该组合的最佳切削效果。通过使用这一实用工具，几乎每一家配备了高速机加工中心的加工厂就将具备以更高生产率运营的能力。这些加工厂将不需对自己的设备进行敲击测试。他们甚至有可能都不必追踪自己的最佳工作点参数。

图3  这个立铣刀形状的部件放置在一块用于谐振测量的泡沫塑料上以模拟此部件的悬空浮动状态

MLI目前正在努力开发的正是这样一种实用工具。据这家公司表示，可能2年后将推出此工具并将其投入线上运行。本项目已收到了美国军方的高级研究计划局（DARPA）的入选信函，表示很可能提供资助。此项资助将用于测量数量明显更多的机加工中心型号以建立更为完备的数据库。

Delio博士先前看到这种为机床谐振频率领域“图谱绘制”工作的前景事实上延伸到了机床行业之外。他将这项工作与人类基因组绘制相提并论。就像人类基因组项目逐一绘制每个基因的图谱一样，本项目将绘制各种机床和铣削刀具的动态特性的图谱。实际上，这种相当高的相似度也确立了这个项目的名称。此项研究的目的是创建机加工数据中心，而且此项目获得了DAPRA入选资格，其正式名称为“机床基因组项目”。

一些相关数字

就像真正基因组计划一样，机加工中心“基因组”的图谱绘制也需要花费时间。目前正在使用的机加工中心型号的数量（至少可以说）是庞大的。而且，这个数量与铣削刀具型号的数量相比起来却黯然失色了。这些数量是如此之庞大，如果所有频率响应数据只能通过物理敲击测试来获得，将不可能建立任何综合性的数据库。但是，如果只有机床这项数据需要测量，而以数学方式获得其余信息时，则能够将数量级减少到一个可以管理的级别，虽然仍然很大。

BlueSwarf公司共同创建人Dave Barton发现，根据Techspex.com的数据，目前由229家制造商在销售着3053种机加工中心。他还表示，这些机加工中心中的许多型号每年只会销售几台而已。而只针对那些以中等数量销售的机加工中心将会显著减少其数量级别。类似地，铣削刀架的制造商有72家，但是并非他们所供应的所有产品都在广泛使用，而且也不是全部产品都用于高转速作业。最后，有铣削用切削刀具的110家制造商当中，许多刀具型号都拥有足够的相似度，因此并不需要对它们执行单独的频率响应建模。将这些事项汇集起来，Barton先生估计数据库将必须包括大约70000个区别分明的项目。这个数量中还包括了工件材质，这样，这个实用工具就不仅能够根据机床和刀具谐振频率来推荐精确的主轴转速，而且还能根据主轴功率和材质特性来推荐精确的切削深度。他表示，记录70000个项目的工作是“相当易于管理和达成的”。

图4  这个软件界面上的转速表绿色区域显示了某一特定机加工中心设置下在转速范围内的谐振稳定区域。处于这些稳定区域范围内都是一些特定的优化的转速。这张照片拍摄的是BlueSwarf公司网站上的交互式演示，这个演示让我们能够看到，在谐振最佳工作点执行机加工可以达到的加强切削深度和金属切削率的效果

在所有这些数据采集完毕之前，初始DARPA资助金将会花完。其余资金有可能来自于一项分为两期的资助金，也有可能来自于一些参与到本项目的特定大型制造公司。Delio博士表示，资助还有可能来自于那些有兴趣获得本系统提前使用权的机床供应商。他说，机床制造商对本项目的参与还将提供其它方面的好处。这些公司能够接触到本公司现有的机床产品。访问较早型号机床的维修技术人员可以迅速对此型号进行快速的敲击测试并将其数据加入到系统之中。最终，Delio博士希望每一家机床制造商都想要这样做，因为如果机床基因组项目实用工具能够为本公司自有机床的高效切削提供参数的话，就将给制造商带来好处。

精调

本项目的咨询专家佛罗里达大学的Schmitz博士预测说，实际上，加工厂可以在获得参数以外更多地发挥出这项实用工具的效益。他表示，加工厂还将利用此项实用工具来改进参数，设计出自己想要的参数。通过在此项实用工具内尝试不同的选择，加工厂将获得自己机床所能达到的最高材料切削率。

请再考虑一下那个机床最佳工作点发生在16410rpm的案例。在这个转速下所取得的高材料切削率是切削过程稳定到足以执行大深度切削动作的结果。但是，如果同一台设备拥有20000rpm或25000rpm的最高主轴转速时，结果将会如何？ 加工厂将更倾向于让稳定切削作业发生在高得多的转速范围内，从而可以提供甚至更高的金属切削率。为了达成这一目标，加工厂有可能会在这个频率响应实用工具内通过选择不同的切削刀具做出试验，查看是否有任何特定的选择可以将这台设备的稳定切削转速提升到接近主轴最高转速的水平。

Schmitz表示，甚至都不必更换刀具。因为刀具悬伸长度也是这个频率响应函数的一项因子。由于刀具从刀架上伸出的长度影响到了刚性，则改变悬伸长度有可能在rpm范围内将最佳工作点移上或移下。他表示，在不久的将来，加工厂将完全按照这种方式例行程序般地“精调”自己的机加工过程，在这个实用工具中输入不同的刀具悬伸长度以找到对于切削生产率最有利的数值。而且他们就可以从精调中获得好处，甚至不必测量。