張培培， 王科盛， 何倩鴻

(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院， 四川 成都 611731)

在制造類(lèi)課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，目前作為常見(jiàn)的制造方法——數(shù)控加工成為了主要的實(shí)驗(yàn)載體。由于數(shù)控加工操作相對(duì)比較專(zhuān)業(yè)，涉及的內(nèi)容較多，因此準(zhǔn)備工作較長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都比較集中在觀(guān)摩上[1]。數(shù)控加工是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，其學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值非常之大，目前與此相關(guān)的學(xué)術(shù)研究成果非常多[2-6]，但是將數(shù)控加工相關(guān)學(xué)術(shù)研究成果開(kāi)設(shè)成制造類(lèi)課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)相對(duì)較少[7]。在數(shù)控加工中，材料、力學(xué)、溫度、振動(dòng)、噪音、磨損以及表面質(zhì)量，都是彼此耦合相互關(guān)聯(lián)的，比如快速的刀具磨損嚴(yán)重影響了加工效率和表面質(zhì)量，這些特征的變化也反映了數(shù)控加工過(guò)程的變化，也就意味著在研究過(guò)程中可以通過(guò)尋找相互之間的匹配關(guān)系，從而監(jiān)測(cè)數(shù)控加工過(guò)程。本文將利用便于采集的振動(dòng)信號(hào)來(lái)監(jiān)測(cè)數(shù)控加工過(guò)程。另外，振動(dòng)信號(hào)處理是極其具有研究性的內(nèi)容，信號(hào)處理的方法也在不斷地更新突破。因此，在此實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)的處理和分析作為鍛煉學(xué)生自主創(chuàng)新能力的主要部分。此外，獲得什么樣的信號(hào)與工況有關(guān)，工況(切削用量)的設(shè)計(jì)是此實(shí)驗(yàn)另外一個(gè)研究點(diǎn)。此內(nèi)容可以很好地鍛煉學(xué)生的統(tǒng)籌規(guī)劃能力、掌握新知識(shí)能力和在新知識(shí)基礎(chǔ)上的創(chuàng)新能力。

1 振動(dòng)反映數(shù)控加工過(guò)程基本原理

描述數(shù)控加工過(guò)程的表征很多，比如刀具的磨損增加、振動(dòng)的逐增、表面質(zhì)量逐漸變差、切屑形狀變化等[ 8-10]。本文將用表面質(zhì)量(表面粗糙度)的變化來(lái)描述數(shù)控加工過(guò)程，闡述振動(dòng)如何反映和影響表面質(zhì)量的變化。

切削過(guò)程中的振動(dòng)分為自由振動(dòng)(機(jī)床外界沖擊力，傳動(dòng)系統(tǒng)中非周期性沖擊以及材料性能不均引起的沖擊)、強(qiáng)迫振動(dòng)(空轉(zhuǎn)時(shí)存在的振動(dòng)和切削中交變力產(chǎn)生的振動(dòng))、自激振動(dòng)(摩擦降低、切削力下降等)[ 11]。

加工表面質(zhì)量是指零件加工后的表面層狀態(tài)，它是精加工零件關(guān)鍵、必要的技術(shù)要求。影響表面質(zhì)量的因素很多，切削用量、刀具幾何參數(shù)、切削過(guò)程中的振動(dòng)、刀具磨損等，這些因素還存在耦合關(guān)系[12]。

因此可以看出，這些因素相互作用，以振動(dòng)形式呈現(xiàn)在加工工藝系統(tǒng)中，這會(huì)使切削力發(fā)生波動(dòng)，也使切削層參數(shù)發(fā)生變化。刀具和工件之間產(chǎn)生相對(duì)位置變化致使刀具偏離理想位置，導(dǎo)致在工件上發(fā)生“欠切”或“過(guò)切”，最終在加工表面留下凸凹不平的形貌。所以振動(dòng)可以反映加工過(guò)程中表面質(zhì)量的變化[2]。因此，實(shí)驗(yàn)主要利用振動(dòng)來(lái)分析、監(jiān)測(cè)數(shù)控切削加工過(guò)程(表面質(zhì)量)。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和流程

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)所采用的加工設(shè)備為南京第二機(jī)床廠(chǎng)制造的XH714數(shù)控加工中心，本實(shí)驗(yàn)采用的振動(dòng)信號(hào)采集、處理裝置是由東華測(cè)試自主開(kāi)發(fā)的DHDAS軟件平臺(tái)。此軟件平臺(tái)主要包括振動(dòng)信號(hào)采集裝置及處理軟件(見(jiàn)圖1)和振動(dòng)加速度傳感器(見(jiàn)圖2)2部分。圖2為安裝在工作臺(tái)上的振動(dòng)傳感器。表面質(zhì)量采用表面粗糙度測(cè)量?jī)x(型號(hào)為DLSURF DR160，見(jiàn)圖3)來(lái)測(cè)量，表面粗糙度Ra測(cè)量范圍在0.005～160 μm之間。

圖1 振動(dòng)信號(hào)采集裝置及處理軟件

圖2 振動(dòng)加速度傳感器

圖3 表面粗糙度測(cè)量?jī)x

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

基于振動(dòng)反映切削加工過(guò)程基本原理的分析，此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含4部分，見(jiàn)圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1) 切削用量設(shè)置。在實(shí)驗(yàn)實(shí)施前，由于切削用量的大小對(duì)振動(dòng)和表面質(zhì)量有影響，所以如何設(shè)置涵蓋了很多實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。如果讓學(xué)生自行發(fā)揮進(jìn)行設(shè)置，可以很好地鍛煉學(xué)生統(tǒng)籌規(guī)劃和優(yōu)化選擇能力，也很好地體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的研究性質(zhì)這一要求。

(2) 實(shí)驗(yàn)實(shí)施。在切削用量設(shè)置確定后，需要在機(jī)床上實(shí)施切削加工，同時(shí)采集振動(dòng)和表面質(zhì)量數(shù)據(jù)。此過(guò)程讓學(xué)生更加直觀(guān)地了解和掌握數(shù)控加工過(guò)程中振動(dòng)對(duì)數(shù)控加工過(guò)程(表面質(zhì)量)的影響和相互作用。

(3) 后期數(shù)據(jù)處理。在數(shù)據(jù)處理部分，由于信號(hào)處理方法和表面質(zhì)量數(shù)據(jù)處理方法的迅速發(fā)展，不能只停留在最原始和最基礎(chǔ)的方法上來(lái)讓學(xué)生驗(yàn)證已經(jīng)成熟的結(jié)論，所以在方法上不限制學(xué)生，學(xué)生自由選擇或改進(jìn)方法。此部分再次體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的研究性質(zhì)，也能很好地鍛煉學(xué)生的科研思維和創(chuàng)新思維。

(4) 結(jié)果分析總結(jié)。在數(shù)據(jù)處理完后，由于第(3)部分內(nèi)容沒(méi)有固定的方法，所以處理的結(jié)果不同，得出的結(jié)論自然也不同。從不同的角度看同一結(jié)果，得出的結(jié)論也會(huì)不同。所以在結(jié)果分析部分同樣沒(méi)有固定答案，學(xué)生根據(jù)自己的理解和判斷，得出自己的結(jié)論。此部分同樣也是屬于研究探索內(nèi)容。

4部分內(nèi)容有3部分都有學(xué)生自由發(fā)揮空間，讓學(xué)生自行探索研究，充分體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的研究型特點(diǎn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

基于上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，此實(shí)驗(yàn)流程按照4個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容順序分別進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.3.1 切削用量設(shè)置

首先了解機(jī)床的基本參數(shù)和運(yùn)動(dòng)范圍，然后學(xué)生查閱、調(diào)研目前常用的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，基于實(shí)驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)要求，比較常用方案、確定選擇依據(jù)，最終確定實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生可以基于振動(dòng)和加工切削的特性，對(duì)現(xiàn)有的方案進(jìn)行改進(jìn)，比較改進(jìn)后與改進(jìn)前的方法。此過(guò)程需要確定比較的基準(zhǔn)。切削用量設(shè)置中選擇依據(jù)的確定和方案的改進(jìn)都具有研究性質(zhì)，具體流程見(jiàn)圖5，其中研究性質(zhì)的內(nèi)容用點(diǎn)劃線(xiàn)框出。

圖5 切削用量設(shè)置的流程

2.3.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

首先根據(jù)上一內(nèi)容設(shè)置的切削用量設(shè)置機(jī)床參數(shù)，然后調(diào)試機(jī)床，將切削用量值輸入機(jī)床運(yùn)行代碼中，用表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量初始的表面質(zhì)量。啟動(dòng)機(jī)床，開(kāi)始切削，同時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)。一個(gè)加工面結(jié)束，停機(jī)，用表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量表面質(zhì)量，并記錄數(shù)據(jù)。繼續(xù)加工，采集振動(dòng)信號(hào)，一個(gè)加工面結(jié)束，停機(jī)，用表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量表面質(zhì)量，并記錄數(shù)據(jù)。同樣，重復(fù)上述步驟(圖6中i+1次)，直到滿(mǎn)足終止條件的要求。此實(shí)驗(yàn)一般用切削次數(shù)作為終止條件。當(dāng)切削次數(shù)滿(mǎn)足要求時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，整理儲(chǔ)存收集振動(dòng)和表面質(zhì)量的數(shù)據(jù)。整理儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)為下一個(gè)內(nèi)容(后期數(shù)據(jù)處理)作準(zhǔn)備，此部分的具體流程見(jiàn)圖6，因?yàn)槎际蔷唧w操作，所以沒(méi)有設(shè)置研究性質(zhì)內(nèi)容。

圖6 實(shí)驗(yàn)實(shí)施的流程

2.3.3 后期數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得后需要分成2條線(xiàn)路來(lái)分析。第一條為振動(dòng)信號(hào)處理。首先學(xué)生需要查閱現(xiàn)有的信號(hào)處理方法，并針對(duì)加工過(guò)程這一隨時(shí)間變化(時(shí)變)的特點(diǎn)，選擇適合數(shù)控加工振動(dòng)信號(hào)的處理方法，并需要給出選擇的依據(jù)。然后對(duì)選擇的方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。在分析實(shí)際數(shù)據(jù)時(shí)如果存在現(xiàn)有方法不能解決的問(wèn)題，需要針對(duì)具體問(wèn)題對(duì)現(xiàn)有方法進(jìn)行改進(jìn)。第二條為表面質(zhì)量數(shù)據(jù)處理，流程與上相同。此過(guò)程包含了選擇、判斷和改進(jìn)，這些是很好的研究性質(zhì)內(nèi)容。最后，在獲得振動(dòng)結(jié)果和表面質(zhì)量結(jié)果后，需要建立兩者之間的匹配關(guān)系，此關(guān)系可以為振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)控加工過(guò)程提供很好的理論依據(jù)。建立匹配關(guān)系是科學(xué)研究中代理模型的重要的內(nèi)容，所以此部分內(nèi)容也是具有研究性質(zhì)的。后期數(shù)據(jù)處理的具體流程見(jiàn)圖7，其中研究性質(zhì)的內(nèi)容用點(diǎn)劃線(xiàn)框出。

圖7 后期數(shù)據(jù)處理的流程

2.3.4 結(jié)果分析總結(jié)

在結(jié)果分析部分，由于數(shù)據(jù)處理的方法不同，所得結(jié)果也會(huì)不同。從結(jié)果推導(dǎo)結(jié)論時(shí)，由于出發(fā)點(diǎn)和角度不同，結(jié)論也不同。從不同角度和出發(fā)點(diǎn)分析同一結(jié)果，得出的結(jié)論也不盡相同。同樣，單個(gè)結(jié)果總結(jié)如此，同時(shí)考慮多個(gè)結(jié)果耦合情況，分析的結(jié)果更是具有多樣性。圖8很好地顯示了此過(guò)程的多樣性。從角度1看結(jié)果1，可以總結(jié)出不同的結(jié)論。從角度i同時(shí)考慮2個(gè)結(jié)果或者多個(gè)結(jié)果，同樣結(jié)論也是不同的。因此，此部分的研究性質(zhì)就顯得更為突出，也是鍛煉學(xué)生學(xué)術(shù)思維很好的過(guò)程。

圖8 結(jié)果分析總結(jié)的流程

3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施和考核

在實(shí)驗(yàn)實(shí)施方面，由于實(shí)驗(yàn)研究探索性較強(qiáng)，所以實(shí)驗(yàn)在時(shí)間上以1學(xué)期為期限，根據(jù)學(xué)生自己的時(shí)間自由安排。選擇實(shí)驗(yàn)的對(duì)象為對(duì)數(shù)控加工和信號(hào)處理感興趣的學(xué)生，主要面向高年級(jí)本科生和研究生一年級(jí)學(xué)生。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，6人一組，其中，切削用量設(shè)置1人、實(shí)驗(yàn)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)2人(此過(guò)程因?yàn)檠芯啃再|(zhì)不強(qiáng)，所以一般是本科生來(lái)完成此部分內(nèi)容)、數(shù)據(jù)處理和分析總結(jié)3人(振動(dòng)信號(hào)處理1人、表面質(zhì)量數(shù)據(jù)處理1人、分析兩者匹配關(guān)系1人)。

在考核方面，由于此實(shí)驗(yàn)是研究探索型，不是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，所以考核標(biāo)準(zhǔn)放在研究?jī)?nèi)容部分。考核評(píng)價(jià)的具體要求是學(xué)生需要提交一份標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告或撰寫(xiě)一篇學(xué)術(shù)論文。實(shí)驗(yàn)報(bào)告需要按照學(xué)術(shù)論文的要求寫(xiě)。基于報(bào)告的撰寫(xiě)認(rèn)真程度、文獻(xiàn)查閱廣度、現(xiàn)有方法的掌握情況、改進(jìn)創(chuàng)新的程度以及論文是否被期刊或會(huì)議接受為判斷依據(jù)，進(jìn)行打分和給出最后的實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

此實(shí)驗(yàn)是屬于基于科研項(xiàng)目搭建制造類(lèi)研究型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的一部分，設(shè)計(jì)的目的是為了彌補(bǔ)制造類(lèi)課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)缺乏的問(wèn)題。將制造類(lèi)中經(jīng)典的數(shù)控加工這一過(guò)程引入，同時(shí)把數(shù)控加工過(guò)程含有的較多學(xué)術(shù)研究點(diǎn)融入到實(shí)驗(yàn)中，形成了基于振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)控加工過(guò)程的研究型實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)4個(gè)內(nèi)容中有3個(gè)內(nèi)容都設(shè)計(jì)了研究性質(zhì)的環(huán)節(jié)，不設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)答案，學(xué)生充分自由發(fā)揮。通過(guò)此實(shí)驗(yàn)，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、學(xué)術(shù)研究、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新的能力。

References)

[1] 張培培，王科盛，何倩鴻.基于科研項(xiàng)目搭建制造類(lèi)研究型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，34(6)：161-164.

[2] 鄭鵬.機(jī)床加工過(guò)程振動(dòng)特性及對(duì)加工表面質(zhì)量影響的研究[D].武漢:華中科技大學(xué)， 2012.

[3] Kersting P， Biermann D. Modeling techniques for simulating workpiece defections in NC milling[J].Journal of Manufacturing Science and Technology， 2014， 7(1):48-54.

[4] Zhang P P， Guo Y， Wang B. Novel Tool Wear Monitoring Method in Milling Difficult-to-Machine Materials Using Cutting Chip Formation[C]//Journal of Physics: Conference Series (JPCS). Kitakyushu，Japan:12th International Conference on Damage Assessment of Structures， 2017.

[5] Guo Y， Zhang P P， Wang B.Dynamic Reliability Analysis of Cutting Tool for Milling Difficult to Machine Materials Ti-6Al-4V[C]//Chengdu， China:Prognostics and System Health Management Conference (PHM-2016 Chengdu).2016.

[6] Zhu K， Zhang Y. Modeling of the instantaneous milling force per tooth with tool run-out effect in high speed ball-end milling[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2017， 118/119(8):37-48.

[7] 茍向鋒，楊晉，陳德道，等.開(kāi)放式綜合性數(shù)控加工實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(3):137-139，144.

[8] Bhuiyan M S H，Choudhury I A， Dahari M. Monitoring the tool wear， surface roughness and chip formation occurrences using multiple sensors in turning[J].Journal of Manufacturing Systems，2014，33(4):476-487.

[9] Sun Y，Sun J，Li J，et al. Modeling of cutting force under the tool flank wear effect in end milling Ti6Al4V with solid carbide tool[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，69(9-12):2545-2553.

[10] Dutta S， Pal S K， Sen R. Progressive tool flank wear monitoring by applying discrete wavelettransform on turning surface images[J].Measurement， 2016，77(1):388-401.

[11] 吳雅.機(jī)床切削系統(tǒng)的顫振及其控制[M].北京:科學(xué)出版社，1993.

[12] 陳日曜.金屬切削原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992.