歐陽剛 陳洪濤

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000)

切削振動(dòng)在機(jī)械切削加工中是不能避免的，它直接影響切削加工質(zhì)量、效率和生產(chǎn)成本，如何檢測(cè)切削過程中的振動(dòng)狀態(tài)，并依據(jù)其特征進(jìn)行數(shù)控加工程序優(yōu)化，是降低切削振影響的有效途徑。切削振動(dòng)是很難進(jìn)行直接測(cè)量的，實(shí)驗(yàn)室采用的多點(diǎn)傳感器檢測(cè)技術(shù)也不能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)活動(dòng)中。

依據(jù)聲學(xué)原理，在切削力作用下聲源的音頻信號(hào)伴隨振動(dòng)能量的變化而變化。在同一工件的切削加工過程中，工件、刀具及夾具等的振動(dòng)產(chǎn)生的疊加音波隨振動(dòng)的增強(qiáng)而加大，可以通過檢測(cè)音頻信息的幅值變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過程中切削振動(dòng)的監(jiān)測(cè)。

實(shí)驗(yàn)采用實(shí)時(shí)檢測(cè)切削加工中的音頻信息來間接分析中、高頻振動(dòng)的特征。在切削加工過程中，音頻信號(hào)的采集直接真實(shí)，采集方法簡便、設(shè)備簡單。在不同的狀態(tài)下，因切削振動(dòng)變化而產(chǎn)生的音頻信息變化靈敏度高，便于分析，因此利用采集切削振動(dòng)產(chǎn)生的音頻信息來進(jìn)行分析并進(jìn)行數(shù)控加工程序優(yōu)化有很大的實(shí)用意義。

1 實(shí)驗(yàn)條件與檢測(cè)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)采用單指向駐極體電容式傳聲器(electret capacitor microphone，ECM)［1］與電腦聲卡連接，使用電腦的錄音功能對(duì)音頻信息進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，定向采集加工過程中的音頻信息。

根據(jù)采集的同步音頻信號(hào)與數(shù)控程序進(jìn)行對(duì)比分析，找出在加工過程中振動(dòng)急劇變化的程序段，通過人工處理數(shù)控加工程序，改變切削用量參數(shù)實(shí)現(xiàn)加工過程切削振動(dòng)趨于穩(wěn)定，降低因急劇振動(dòng)造成的刀具快速損耗和設(shè)備損耗。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

試驗(yàn)機(jī)床:立式加工中心Vcenter-80，發(fā)那科系統(tǒng)

試驗(yàn)工件:低壓缸X 級(jí)動(dòng)末葉片，材質(zhì)1Cr12Mo

測(cè)試環(huán)境:其他噪音低于70FB

測(cè)試設(shè)備:HP 筆記本電腦，單指向駐極體電容式傳聲器

音頻采集、分析軟件:Adobe Audition 3

1.3 音頻信息采集

(1)傳感器的選擇

根據(jù)采集數(shù)據(jù)的需要，減少因現(xiàn)場噪音對(duì)信息的影響，傳感器選擇使用單指向駐極體電容式傳聲器。其主要特點(diǎn)是可以進(jìn)行非接觸式檢測(cè)，指向性強(qiáng)，在指向軸線0°的區(qū)域內(nèi)接收信號(hào)最強(qiáng)(其頻響曲線如圖1所示)，其優(yōu)異的指向性能有效抵抗環(huán)境噪音的干擾，能高質(zhì)量的采集音頻信息。同時(shí)該傳感器具備頻率響應(yīng)、高靈敏度和快速的瞬時(shí)響應(yīng)特性［2］。

實(shí)驗(yàn)選用傳聲器主要技術(shù)參數(shù):靈敏度為-38 ±3 dB(0 dB=1 V/Pa at 1 kHz);頻率響應(yīng)為50～20 kHz。

(2)傳感器的安裝

振動(dòng)聲波作為機(jī)械波的一種，在傳遞過程中能量逐步衰減［3］，為了保證獲取到較好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)保證多次實(shí)驗(yàn)條件的穩(wěn)定性，傳感器的安裝要求為固定位置，采用單懸臂式防震支架(如圖2 所示)，安裝位置可根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)選擇，通常安裝在距離聲源1 m范圍內(nèi)。

(3)PC 聲卡設(shè)置

為了在采集數(shù)據(jù)過程中不受到其它應(yīng)用軟件的音頻干擾，在電腦聲卡的音量控制界面中，只勾選MIC 選項(xiàng)。

(4)軟件設(shè)置

Adobe Audition 3 功能較多，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，除采樣率和錄音備用音軌需要進(jìn)行設(shè)置外，其他均使用軟件默認(rèn)設(shè)置［4］。

打開Adobe Audition 3 軟件后，選擇“文件”下拉菜單，點(diǎn)擊新建后彈出采樣率選擇窗口，根據(jù)所使用的錄音設(shè)備進(jìn)行選擇，通?？蛇x擇11025S。

錄音音軌設(shè)置方法如圖3 所示。

點(diǎn)擊音軌1 側(cè)面紅色”R”按鈕，按對(duì)話框要求輸入采集文件的文件名并保存后，即完成錄音音軌設(shè)置。

(5)音頻信息采集

在完成采樣率及錄音音軌設(shè)置后就可以使用該軟件的錄音功能進(jìn)行音頻信息實(shí)時(shí)同步采集。采集只需在運(yùn)行程序的同時(shí)按下軟件視窗左下側(cè)傳送器界面中的錄音按鈕“●”。

為了便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在采集音頻信息的時(shí)候，要求做到數(shù)控程序運(yùn)行與錄音同步。

2 音頻信息分析與數(shù)控加工程序優(yōu)化

2.1 動(dòng)末葉片音頻信息分析

實(shí)驗(yàn)以批量生產(chǎn)的低壓缸X 級(jí)動(dòng)末葉片作為研究對(duì)象，同步采集了葉片加工第1 段程序加工過程，該程序段內(nèi)容為使用8 角可轉(zhuǎn)位涂層立銑刀刀片對(duì)經(jīng)過初步去除毛坯余量后的型線進(jìn)行粗加工，其特點(diǎn)是型線部分余量相對(duì)均勻，但內(nèi)背弧部位余量較大。加工葉片曲面型線的過程，如圖4 所示。

有些行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)使用高強(qiáng)鋼筋無明確的強(qiáng)制性要求，設(shè)計(jì)人員也就依照固有的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。此外，隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)和對(duì)各類基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)投入，設(shè)計(jì)院承擔(dān)的任務(wù)也日益繁重，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)習(xí)慣于采用335 MPa鋼筋，若在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中全面推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋，則整套設(shè)計(jì)思路需要改變，對(duì)各種應(yīng)力、強(qiáng)度、安全系數(shù)等參數(shù)要重新進(jìn)行計(jì)算、試驗(yàn)和驗(yàn)證，因此，設(shè)計(jì)人員在主觀上不愿投入精力將高強(qiáng)鋼筋的應(yīng)用研究融入到設(shè)計(jì)工作中。

其音頻數(shù)據(jù)如圖5 所示，根據(jù)音頻分析，除前0.25 min 為換刀等過程，處于未開始切削的狀態(tài)，音頻信號(hào)較低外，加工程序在運(yùn)行至1.06 min 的時(shí)候，切削振動(dòng)明顯變化，音頻突然加大，直到1.21 min 切削振動(dòng)恢復(fù)到變化前相近。經(jīng)過觀察，該程序段為加工到葉片汽道型線內(nèi)背弧部位［5］，刀具與工件接觸面突然增大，導(dǎo)致切削振動(dòng)變大。整個(gè)葉片加工過程全程為25.61 min，要往復(fù)出現(xiàn)這樣的變化共19 次，也就是要出現(xiàn)19 次內(nèi)背弧部切削的過程，這就是導(dǎo)致葉片加工刀具損耗嚴(yán)重的主要原因。

2.2 程序優(yōu)化處理

在完成數(shù)據(jù)采集分析后，依據(jù)削峰平谷原則，對(duì)音頻峰值形成波峰、波谷形狀的地方進(jìn)行處理，降低波峰、提高波谷高度，使數(shù)據(jù)圖形減少出現(xiàn)明顯的波峰和波谷形態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)狀態(tài)趨于穩(wěn)定。也就實(shí)現(xiàn)了切削振動(dòng)在整個(gè)過程中趨于穩(wěn)定。

根據(jù)程序同步運(yùn)行的時(shí)間記錄，進(jìn)行內(nèi)背弧切削的程序從N1230 行開始，到N1315 行段結(jié)束。為了降低該程序段范圍內(nèi)加工的切削振動(dòng)，降低刀具消耗。采用人工處理的辦法，在N1230 行程序前增加一個(gè)程序段，目的是降低轉(zhuǎn)速和切削速度［6］。程序段內(nèi)容如下:

N1231 M03 S1600 F600

在程序N1315 行后增加一行程序，使刀具轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度恢復(fù)到變化前。該程序行內(nèi)容為:

在進(jìn)行優(yōu)化處理后，再次對(duì)該段程序進(jìn)行信息采集發(fā)現(xiàn)，整個(gè)加工過程切削振動(dòng)趨于穩(wěn)定，沒有再出現(xiàn)切削振動(dòng)急劇變化的情況。優(yōu)化后音頻信息如圖6 所示。

3 程序優(yōu)化應(yīng)用效果

通過對(duì)動(dòng)末葉片進(jìn)行程序優(yōu)化后，葉片加工刀具損耗明顯變低。而因切削速度降低造成的加工時(shí)長增加總量很小。

依據(jù)500 件葉片加工的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，程序優(yōu)化效果對(duì)比如表1 所示。

表1 500 件葉片加工數(shù)據(jù)對(duì)比

通過以上數(shù)據(jù)表明，程序優(yōu)化后加工刀具消耗量降低22.54%，而總體加工時(shí)長只增加了0.46%。同時(shí)，因振動(dòng)的有效降低，也降低了設(shè)備的使用損耗。

4 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)證明，在數(shù)控加工過程中采用音頻分析技術(shù)獲取切削振動(dòng)變化，并根據(jù)變化情況依據(jù)削峰平谷原則來處理能有效降低因切削振動(dòng)變化過大造成的刀具損耗。在實(shí)際應(yīng)用中，葉片在汽輪機(jī)等設(shè)備中使用非常廣泛，一個(gè)機(jī)組的葉片數(shù)量需要幾千片，實(shí)際生產(chǎn)中采用此技術(shù)對(duì)降低消耗，減少生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品市場競爭優(yōu)勢(shì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］Gregory T，A Kovacs.微傳感器與微執(zhí)行器全書［M］.北京:科學(xué)出版社，2003:190 -192.

［2］彭妙顏.現(xiàn)代傳聲器原理拾音技術(shù)與系統(tǒng)集成［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012:21 -41.

［3］何琳.聲學(xué)理論與工程應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2006:3 -28.

［4］劉強(qiáng).計(jì)算機(jī)音頻處理技術(shù)Adobe Audition 2.0［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［5］周登橋，李啟山，袁奇.帶小冠靜葉片的數(shù)控加工［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48(4):311 -313.

［6］劉建新，楊慶玲.機(jī)械加工過程中機(jī)械振動(dòng)的成因及解決措施［J］.常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2013(1):6 -9.