邱國生 楊云祥 趙河 姬坤

【摘要】在柴油發(fā)動機制造領(lǐng)域，鑄鐵工件的銑削加工過程十分普遍，本文采用故障樹分析方法，對主要原因采用沖擊振動實驗法得到夾具和主軸系統(tǒng)的頻響函數(shù)，檢查機械系統(tǒng)的正確性，同時對伺服進給控制系統(tǒng)進行檢查，使得其控制系統(tǒng)達到最佳狀態(tài)，然后針對盤銑刀加工發(fā)動機缸體頂面的自激振動進行頻譜研究，得到過程振動頻譜和大小規(guī)律，刀具耐用度的影響規(guī)律以及對表面幾何精度[1]加工質(zhì)量的影響規(guī)律。最后成功的找到本案例中面銑生產(chǎn)率低的根本原因。

【關(guān)鍵詞】鑄鐵；銑刀壽命；頻響函數(shù)；自激振動

灰鑄鐵具有成本低廉，生產(chǎn)工藝簡單，鑄造和切削加工性能良好，且具有很高的耐磨減摩性、消振性以及較低的缺口敏感性等，是機械制造業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的重要材料之一，福田康明斯ISF3.8L系列發(fā)動機的缸體采用的就是鑄鐵材料，對于銑頂面工序，我們采用的是德國MAG專機，加工方式采用高速斷續(xù)切削；X軸與Y軸進給控制采用的是西門子611U伺服控制系統(tǒng)；

目前該設(shè)備在單班加工1500件左右時，刀具急劇磨損、掉渣，刀具在切削灰鑄鐵時產(chǎn)生的崩碎切屑碎片及脫落的碳化物硬質(zhì)點引起工件表面和后刀片研磨作用導(dǎo)致后刀面磨料磨損，后刀面一旦磨損后其發(fā)熱效果明顯，切削溫度明顯升高，同時尺寸不合格，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，只能通過換刀具解決問題，頻繁換刀嚴重影響正常生產(chǎn)和制造成本；

主要原因表現(xiàn)在顫振[2]，即加工過程中的自激振動[3]導(dǎo)致較大的切削力、振動位移，刀具壽命及加工表面精度[4]降低。

1、故障樹分析

故障樹分析是一種描述事故因果關(guān)系的有方向的"樹"，是系統(tǒng)安全工程中的重要的分析方法之一，他能對各種系統(tǒng)的危險性進行識別評價，既適用于定性分析，又能進行定量分析，具有簡明，形象化的特點，體現(xiàn)了以系統(tǒng)工程方法研究安全問題的系統(tǒng)性，準確性和預(yù)測性。它是一種從系統(tǒng)到部件，再到零件，按“下降形”分析的方法。也可以用來分析零件、部件或子系統(tǒng)故障對系統(tǒng)故障的影響，其中包括人為因素和環(huán)境條件等在內(nèi)。

2、主軸及夾具系統(tǒng)的穩(wěn)定性測量

主軸系統(tǒng)刀尖點和夾緊狀態(tài)下的工件頻響函數(shù)是衡量和評價機床切削穩(wěn)定性的重要指標，是優(yōu)化機床加工工藝、評價機床動態(tài)特性以及綜合性能的依據(jù)。

獲得頻響函數(shù)的方法一般可以分為理論法和試驗法兩種。理論法是以某種理論（例如有限元法等）為依據(jù)，根據(jù)主軸和夾具系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)建立其動力學(xué)分析模型，利用Ansys或是Matlab等軟件分析或仿真得到頻響函數(shù)的方法。試驗法是指針對實際的機床主軸和夾具系統(tǒng)，利用振動試驗，一般采用錘擊法來獲得刀盤和工件與夾具的頻響函數(shù)。

2.1夾具的頻響函數(shù)

首先介紹下頻響函數(shù)（傳遞函數(shù)）相關(guān)信號處理知識。

通過圖2頻響函數(shù)及其對應(yīng)的相干函數(shù)我們可以得出：由于錘頭過硬，導(dǎo)致低頻相干不是很好，相干函數(shù)整體表現(xiàn)不錯，在整個分析頻域?qū)⑾到y(tǒng)激勵起來，相干函數(shù)顯示結(jié)果可以接受，試驗結(jié)果可信且低頻處沒有產(chǎn)生共振峰值，在1.5kHz后面，產(chǎn)生共振最大峰值；

2.2刀盤的頻響函數(shù)

同樣FFT采用5次線性平均的方法得到相應(yīng)的相干函數(shù)和頻響圖：

通過圖3頻響函數(shù)及其對應(yīng)的相干函數(shù)我們可以得出：由于錘頭過硬，導(dǎo)致低頻相干不是很好，相干函數(shù)整體表現(xiàn)不錯，力在整個2.5kHZ內(nèi)衰減不大，在整個分析頻域?qū)⑾到y(tǒng)激勵起來，相干函數(shù)顯示結(jié)果可以接受，試驗結(jié)果可信且低頻處沒有產(chǎn)生共振峰值；

通過對加工過程的速度頻譜（圖4）進行分析，可以看出，高頻處沒有產(chǎn)生較大的振幅；

不需要進行模態(tài)分析，僅通過簡單的頻響函數(shù)測量，排除了共振對刀具磨損影響，對生產(chǎn)率低的貢獻；

3、伺服控制系統(tǒng)的測試

機床采用西門子611U伺服控制系統(tǒng)，我們對X，Y軸進給控制進行參考頻率響應(yīng)測試，如下：

通過圖5觀察，我們可以得到：

1.響應(yīng)帶寬遠大于200Hz。

2.響應(yīng)帶寬內(nèi)，增益水平?jīng)]有超過10dB。

此部分可以得出，伺服控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)，對系統(tǒng)振動和生產(chǎn)率低的原因沒有產(chǎn)生貢獻；

4、加工頻譜測量

刀具參數(shù)及加工質(zhì)量要求如下：

此盤銑刀直徑為315mm，均布40個刀片，材料為立方氮化硼（CBN），中性切削，前角為0°，32個切削刃，8個修光刃。

刀盤與刀片在出廠時裝配后保證配合精度，達到端面切削刃跳動為0.025mm以內(nèi)，修光刃跳動為0.003mm以內(nèi)，總體徑向跳動0.06mm以內(nèi)，相鄰齒跳動0.03mm以內(nèi)；

加工質(zhì)量要求為：粗糙度Rz小于15um，波紋度小于12.5um，局部平面度小于25um/25mm×25mm，整體平面度小于75um；

通過進一步觀察刀片磨損情況來看，修光刃磨損情況較為嚴重，為沖擊導(dǎo)致掉渣，而切削刃為帶狀摩擦。

根據(jù)圖7中刀具磨損狀況，可以看出修光刃的徑向跳動整體高于切削刃徑向跳動，參與切削過程，導(dǎo)致磨損嚴重，故我們在調(diào)刀的時候記錄了徑跳數(shù)據(jù)：

刀盤2的修光刃徑向跳動明顯低于到刀盤1的跳動，且刀盤2的加工件數(shù)明顯高于刀盤1，可以證明刀盤和刀片之間的配合尺寸十分關(guān)鍵，進一步對刀盤2修光刃徑向跳動值低于切削刃的加工進行頻譜分析：

此部分可以看出，當(dāng)修光刃的徑向跳動低于切削刃時，修光刃的磨損降低，且生產(chǎn)效率明顯提高，可見，由于刀盤與刀片間配合不好造成修光刃的狀態(tài)差是影響生產(chǎn)率低的主要原因。

5、結(jié)論

截至目前為止，針對本案例，我們采用故障樹分析方法對盤銑刀加工發(fā)動機缸體頂面的生產(chǎn)效率低進行了系統(tǒng)的分析和驗證，得出以下結(jié)論：

1.分析出MAG加工機床的主軸與夾具（夾緊工件下）系統(tǒng)的固有屬性；

2.伺服系統(tǒng)運行平穩(wěn)，對生產(chǎn)效率沒有影響；

3.刀具的修光刃徑向跳動對加工質(zhì)量，刀具壽命和生產(chǎn)效率有著顯著影響；

在盤銑刀加工過程中，雖然機床及刀具廠家對刀具的端面跳動及徑向跳動有整體要求，但是控制修光刃相對于切削刃的徑向跳動使得整體加工自激力大幅減小，振動減弱，刀具壽命明顯提高。

參考文獻

[1]史定華.故障樹分析技術(shù)方法和理論[M].北京師范大學(xué)出版社， 1993.

[2]謝德金，徐紹原，趙連瑞.強力銑削時硬質(zhì)合金端銑刀切削用量及幾何參數(shù)對耐用時間的影響[J].機床與工具， 1955（9）.

[3]李欣，李亮，何寧.過程阻尼對銑削系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[J].振動與沖擊，2014，33（9）：16-20.

[4]郭鐵能，李玲，蔡力鋼，劉志峰，趙永勝.基于頻響函數(shù)辨識機械結(jié)合部動態(tài)參數(shù)的研究[J].振動與沖擊， 2011， 30（5）：69-72.