朱紅波

(克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆獨(dú)山子 833699)

0 引言

切削時產(chǎn)生的振動不僅會干擾和破壞正常的切削過程，使零件加工表面產(chǎn)生振紋，降低零件的表面質(zhì)量;也會加速刀具的磨損，使機(jī)床、夾具等零件的連接部分松動，影響其剛度和精度，縮短其使用壽命;同時，強(qiáng)烈振動產(chǎn)生的噪聲還會污染環(huán)境，危害操作者的身心健康，嚴(yán)重時使切削加工無法進(jìn)行［1］。為了避免產(chǎn)生振動或減小振動的強(qiáng)度，有時不得不降低切削用量，致使機(jī)床、刀具的性能得不到充分的發(fā)揮，限制了機(jī)床切削效率的提高。切削振動作為影響機(jī)械加工質(zhì)量和機(jī)床切削效率的一個重要因素一直受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。一般來說，金屬切削加工過程中產(chǎn)生的振動主要有受迫振動和自激振動兩種類型，其中受迫振動一般容易識別也容易解決，而自激振動(又稱顫振)的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律與機(jī)械加工過程聯(lián)系緊密，影響因素多，一般較難識別，也不容易解決［2－3］。因此，研究機(jī)械加工過程中切削振動(顫振)的產(chǎn)生原因及抑振方法，對于提高機(jī)械產(chǎn)品的加工質(zhì)量和機(jī)床的切削效率具有重要意義。

1 銑削試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)安排不同工藝條件下的銑削試驗(yàn)，通過對振動信號的測試與分析，研究試驗(yàn)因素對銑削振動的影響規(guī)律。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用正交表合理安排試驗(yàn)，以盡可能少的試驗(yàn)次數(shù)確定主要影響因素及各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律［4］。利用正交表安排試驗(yàn)首先要明確試驗(yàn)?zāi)康?、確定試驗(yàn)指標(biāo);其次根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)的特征確定影響因素及各因素水平;最后根據(jù)試驗(yàn)因素及水平選擇合適的正交表安排試驗(yàn)計(jì)劃［5］。

切削加工過程中影響切削振動的因素很多，包括機(jī)床的精度、刀具材料與幾何角度、工件內(nèi)部組織、切削參數(shù)以及環(huán)境因素等。其中機(jī)床、加工方式、工件和刀具材料是固定因素，切削參數(shù)和刀具磨損是變化因素［6］。當(dāng)機(jī)床、工件、加工方式等因素確定后，影響切削振動的主要因素是切削要素和刀具磨損。結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康模_定試驗(yàn)因素為:銑削速度V、銑削深度ap、進(jìn)給速度f和刀具磨損量VB，每個因素選取4個水平。切削過程中刀具從新刀加工到刀具磨損、磨鈍是十分漫長的試驗(yàn)工作。為了節(jié)約試驗(yàn)成本與試驗(yàn)時間，試驗(yàn)前從某生產(chǎn)車間收集不同磨損狀態(tài)的高速鋼三齒直立銑刀(HSS，Φ10 mm)，利用工具顯微鏡分別測量每把刀具的磨損量，根據(jù)磨損量的大小以及刀具磨損過程對刀具進(jìn)行分類，確定刀具磨損量各水平，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及切削加工手冊確定切削參數(shù)各水平。試驗(yàn)因素與水平如表1所列。

表1 試驗(yàn)因素與水平

為了保證試驗(yàn)的全面性、減少試驗(yàn)次數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)因素≤正交表列數(shù)、因素水平數(shù)與正交表對應(yīng)的水平數(shù)一致的要求，結(jié)合銑削試驗(yàn)選取因素及水平，選擇L16(45)正交表安排試驗(yàn)［7］，結(jié)合試驗(yàn)因素?cái)?shù)量略去空白列，制定試驗(yàn)計(jì)劃如表2所列。

表2 試驗(yàn)計(jì)劃與試驗(yàn)結(jié)果

2 銑削振動測試系統(tǒng)

銑削試驗(yàn)所用振動測試系統(tǒng)主要由機(jī)床、刀具、夾具、工件以及振動信號采集與分析系統(tǒng)組成，如圖1。其中:試驗(yàn)所用機(jī)床為武漢華中數(shù)控生產(chǎn)的DM4600立式鏜銑加工中心，主軸最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min;試驗(yàn)刀具為高速鋼三齒直立銑刀(HSS，Φ10 mm)，試件材料為45鋼，采用立面圓周順銑干切削方式加工;試驗(yàn)所用銑削振動信號采集與分析系統(tǒng)是利用加速度傳感器采集銑削過程中主軸和工件的振動信號，通過濾波放大器對電荷信號進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換與放大，然后由Coinv DASP V10信號采集處理分析儀軟件所配置的頻譜分析功能模塊對振動信號進(jìn)行特征提取分析。結(jié)合試驗(yàn)所使用的機(jī)床及實(shí)際加工所選用的切削參數(shù)，選擇INV9818壓電式加速度傳感器作為數(shù)據(jù)采集用傳感器，電荷靈敏度189.1pc/ms－2，可用頻率范圍1～100 kHz。傳感器的安裝位置如圖2所示。

圖1 銑削振動測試系統(tǒng)

圖2 傳感器的安裝位置

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

從傳感器檢測到的原始信號包含了很多與試驗(yàn)因素?zé)o關(guān)的信息。必須對這些信號進(jìn)行處理，提取與試驗(yàn)因素關(guān)系緊密的信號特征。振動信號處理的重點(diǎn)是振動信號的表示方法、特征的變換和運(yùn)算以及振動信號所包含的信息提取，主要包括振動信號的前期處理(預(yù)處理)、信號的時域指標(biāo)分析、頻域特征分析和時間序列分析等。近年來信號處理技術(shù)向時頻分析和智能技術(shù)方向發(fā)展，尤其是時頻分析成為信號分析的主流方向［8］。振動信號的時域特征有均值、均方根、方差、脈沖因子、偏態(tài)系數(shù)、峰值、脈沖因子等，由于均方根能夠較好地反映信號的強(qiáng)弱［9－10］，因而以銑削振動信號的均方根值作為試驗(yàn)指標(biāo)。對比傳感器采集到的主軸與工件處振動信號可以發(fā)現(xiàn)，主軸處傳感器采集到的信號特征顯著，故以機(jī)床主軸振動信號特征量為研究對象，應(yīng)用Coinv DASP V10數(shù)據(jù)采集分析軟件的時域分析功能，提取每次試驗(yàn)所采集主軸振動信號的均方根值，獲得試驗(yàn)結(jié)果如表2所列。

為了進(jìn)一步分析切削參數(shù)和刀具磨損對銑削振動的影響，應(yīng)用minitab軟件對表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到振動信號均方根值的均值主效應(yīng)圖如圖3所示，均方根值方差分析結(jié)果如表3所列。

圖3 振動信號均方根主效應(yīng)圖

表3 振動信號均方根值方差分析

3.1 銑削參數(shù)對銑削振動的影響

由圖3可看出，在給定的切削參數(shù)范圍內(nèi)，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，銑削振動先增大后減小，主要是由于中低速切削容易產(chǎn)生積屑瘤，導(dǎo)致切削過程不穩(wěn)定，切削振動較大;當(dāng)切削速度增大至60 m/min以后，隨著銑削速度增大，切削溫度逐漸升高，使材料發(fā)生軟化現(xiàn)象，切削力降低，導(dǎo)致切削振動減小，因而在實(shí)際加工中可以通過提高切削速度來降低切削振動。銑削深度對切削振動的影響比較明顯，隨著銑削深度不斷增加，切削振動先減小后增大，這是因?yàn)樵阢娤魃疃群苄r，銑刀刀刃切入材料困難，刀刃與工件表面間剮蹭現(xiàn)象明顯，在很大程度上影響了銑削過程的穩(wěn)定性。當(dāng)銑削深度達(dá)到0.4 mm時，刀具能夠順利對材料進(jìn)行切削，此時振動最小;隨著銑削深度的不斷增加，切削力不斷增大，使切削振動隨之增大。進(jìn)給量對銑削振動影響較小，隨著進(jìn)給量的增大，銑削振動略有下降。雖然進(jìn)給量的增加會使切削面積增大，引起變形抗力增大，但同時也會增大切寬、減少變形系數(shù)和摩擦系數(shù)，改善切屑流動情況，使動態(tài)切削力有所下降［11］，從而降低銑削振動。

3.2 刀具磨損對銑削振動的影響

由圖3可看出，隨著刀具磨損不斷增大，銑削振動也隨之增大。刀具磨損的不同階段對切削振動產(chǎn)生不同影響，其規(guī)律與刀具磨損過程相似。當(dāng)?shù)毒吣p量VB從0.05 mm增大至0.2 mm過程中，銑削振動增大較快，說明在初期磨損階段，刀具表面的一些毛刺和不規(guī)則的微凸體等磨損比較劇烈造成了系統(tǒng)的振動較大;當(dāng)?shù)毒呓?jīng)過初期磨損階段后(VB＞0.2 mm)，刀面上的表面粗糙度被磨平，壓強(qiáng)減小，磨損比較均勻緩慢，切削過程相對平穩(wěn)，因此表現(xiàn)為銑削振動變化減小;當(dāng)?shù)毒吣p達(dá)到一定限度后便進(jìn)入急劇磨損階段(VB＞0.37 mm)，此時刀具的磨損速度增加很快，刀具迅速鈍化，造成切削能力降低、切削力增大，振動隨之增大。

為了分析試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著程度，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析。由表3中銑削振動均方根值的方差分析結(jié)果可看出，在4個影響因素中，各因素對銑削振動的影響從大到小依次為:刀具磨損VB、銑削深度ap、切削速度Vc、進(jìn)給量f。對銑削振動均方根值的方差分析結(jié)果進(jìn)行F檢驗(yàn)，從F分布表［12］］中查得 F0.01(3，15)=5.42，則有 FVB＞Fap＞F0.01(3，15)，所以對于給定顯著性水平 α=0.01，刀具磨損VB和銑削深度ap對銑削振動有非常顯著的影響，切削速度Vc和進(jìn)給量f對銑削振動影響不顯著。在實(shí)際生產(chǎn)中，刀具磨損一個動態(tài)變化過程，不便于實(shí)時控制，但在現(xiàn)代數(shù)控加工中，常常通過分析振動信號的變化來識別刀具狀態(tài);減小銑削深度雖然能在一定程度上降低切削振動，但會導(dǎo)致生產(chǎn)率降低，因此，在實(shí)際加工中應(yīng)在滿足機(jī)床剛度和表面粗糙度要求的前提下，通過提高切削速度、增大進(jìn)給量的方式來提高生產(chǎn)效率、抑制切削振動。

4 結(jié)語

采用正交試驗(yàn)安排銑削試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析了銑削參數(shù)和刀具磨損對銑削振動的影響情況。研究結(jié)果表明，提高銑削速度和增大進(jìn)給量在一定程度上可以降低切削振動，切削深度和刀具磨損增大會導(dǎo)致銑削振動加強(qiáng);在4個試驗(yàn)因素中，刀具磨損和銑削深度對銑削振動有顯著影響，各試驗(yàn)因素對銑削振動的影響從大到小依次為:刀具磨損＞銑削深度＞切削速度＞進(jìn)給量。

［1］ 趙雪松，任小中，趙曉芬.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)［M］.第二版.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2010.

［2］ 何理瑞.金屬切削加工中的振動及其抑制措施分析［J］.機(jī)床與液壓，2009(6):249－251.

［3］ 于駿一，吳博達(dá).機(jī)械加工振動的診斷、識別與控制［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1994.

［4］ 馬成良，張海軍.現(xiàn)代試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法及應(yīng)用［M］.鄭州:鄭州大學(xué)出版社，2007.

［5］ 李學(xué)光.基于正交試驗(yàn)法的切削參數(shù)優(yōu)化研究［J］.機(jī)床與液壓，2011(4):17－19.

［6］ 王細(xì)洋，龍 亮，郭敏.基于振動信號的刀具狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)研究［J］.南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011(9):42－47.

［7］ 李云雁，胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理［M］.第二版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［8］ 王 明，高東方.基于振動信號的銑刀磨損狀態(tài)識別［J］.制造業(yè)自動化，2010(11):96－99.

［9］ 李康舉，劉永賢.銑削加工振動影響因素分析［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011(12):884－887.

［10］ 仲為武，王 希.模具鋼硬銑削過程振動和聲發(fā)射信號的監(jiān)測與分析［J］.機(jī)床與液壓，2015(1):16－18.

［11］ 黎忠炎，高東強(qiáng)，毛志云，等.基于切削參數(shù)的高速銑削系統(tǒng)穩(wěn)定性研究［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2010(11):16－18.

［12］ 何 為，薛衛(wèi)東，唐 斌.優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及數(shù)據(jù)分析［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.