王沛鑫 杜茂華 杜興澤 王神送 程正

摘要： 振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)是兩種比較理想的刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)，本文采用正交試驗(yàn)方法在不同工藝條件下對(duì)Ti6Al4V進(jìn)行切削加工，采集振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)并提取其均方根值，通過極差分析等方法研究切削參數(shù)和刀具磨損對(duì)信號(hào)的影響規(guī)律，結(jié)果表明：在本研究切削用量范圍內(nèi)，即71m/min≤vc≤109m/min、0.09mm≤f≤0.13mm、0.6mm≤ap≤1.0mm，對(duì)于振動(dòng)信號(hào)，可以通過提高切削速度，減小進(jìn)給速度和切削深度來減小振動(dòng)；對(duì)于聲發(fā)射信號(hào)，提高切削速度、增大切削深度和進(jìn)給速度都會(huì)導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)的加強(qiáng)，而刀具磨損量的增加使得聲發(fā)射信號(hào)減弱。

Abstract： Vibration and Acoustic Emission （AE） signals are two ideal tool condition monitoring signals. In this paper， the orthogonal tests under different turning conditions are conducted and the vibration and AE signals are collected and the root mean square （RMS） values of the signals are extracted. The influence law of the cutting parameters and tool wear on the vibration and AE signals is investigated by using the range analysis. The results show that the vibration signal can be reduced by increasing cutting speed， decreasing feed rate and depth of cut in the range of cutting parameters （71m/min≤vc≤109m/min， 0.09mm≤f≤0.13mm， 0.6mm≤ap≤1.0mm） and that the AE signal is strengthened with the increase of the cutting speed， the cutting depth and the feed speed and it is weakened with the increase of the tool wear.

關(guān)鍵詞： 切削參數(shù)；刀具磨損；振動(dòng)；聲發(fā)射

Key words： cutting parameters；tool wear；vibration；acoustic emission

中圖分類號(hào)：TH161 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）11-0097-03

0 引言

Ti6Al4V是一種典型的難加工材料，具有比強(qiáng)度高、密度小、抗蝕性好、熱強(qiáng)度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1]。在加工時(shí)，嚴(yán)重磨損的刀具，直接影響到加工對(duì)象的尺寸精度和表面質(zhì)量。為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，充分發(fā)揮機(jī)床的效能，對(duì)刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究具有十分重要的意義。近年來，國內(nèi)外研究人員在刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域做了大量工作，并取得一些進(jìn)展。Jemielniak K等人通過車削鎳基高溫合金，測(cè)量切削力和AE信號(hào)，提取信號(hào)特征，提出了改進(jìn)信號(hào)特征相關(guān)性的評(píng)估方法[2]。李小俚等人對(duì)AE信號(hào)進(jìn)行小波分析，把小波分解后的每個(gè)頻段均方根作為監(jiān)測(cè)刀具狀態(tài)的特征[3]。Bovic Kilundu采用奇異譜分析的方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的高頻成分與刀具磨損有很強(qiáng)的相關(guān)性[4]。王維等人對(duì)異型螺桿進(jìn)行銑削加工，采用振動(dòng)信號(hào)特征值作為檢測(cè)刀具磨損的參量，利用小波分析構(gòu)建濾波器組，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行多尺度分解和多分辨率逼近，提取刀具狀態(tài)特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了刀具狀態(tài)的檢測(cè)[5]。這些研究都是基于某種特定的材料和信號(hào)進(jìn)行的刀具磨損監(jiān)測(cè)研究，而對(duì)于難加工材料Ti6Al4V，采用振動(dòng)和聲發(fā)射作為監(jiān)測(cè)信號(hào)的刀具的磨損監(jiān)測(cè)尚未見到。

加速度傳感器有儀器簡單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，通常用它來測(cè)量振動(dòng)[6]。切削加工中切削力動(dòng)態(tài)分量周期變化，使機(jī)床產(chǎn)生微小顫動(dòng)，隨著加工條件的變化，最后發(fā)展到振動(dòng)，產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)包含豐富的刀具狀態(tài)信息[7]。聲發(fā)射（acoustic emission，AE）是材料內(nèi)部快速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種物理現(xiàn)象[8]。在金屬切削中，切屑和工件塑性變形、切屑與前刀面摩擦、工件與后刀面摩擦、切屑與刀具的碰撞等都會(huì)產(chǎn)生豐富的聲發(fā)射信號(hào)[9]。與其它檢測(cè)方法比，聲發(fā)射信號(hào)的頻率很高，能避開加工中振動(dòng)和噪聲污染的低頻段，具有靈敏度高、信息量豐富等優(yōu)點(diǎn)。

總的說來，振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)是目前比較理想的兩種監(jiān)測(cè)信號(hào)。本文通過設(shè)計(jì)不同工藝條件的車削正交試驗(yàn)，通過采集Ti6Al4V切削過程中的振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)不同工藝條件下信號(hào)的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

切削試驗(yàn)所用測(cè)試系統(tǒng)主要由機(jī)床、刀具、工件以及振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中，試驗(yàn)所用的機(jī)床為CA6140車床，工件材料為鈦合金棒，刀具為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)夾式90°涂層外圓車刀；信號(hào)采集與分析系統(tǒng)是利用加速度傳感器和聲發(fā)射傳感器分別采集切削過程中刀柄的振動(dòng)信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)，通過前置放大器對(duì)信號(hào)放大，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)，利用Labview軟件編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與分析。

2 試驗(yàn)方案

為了對(duì)振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)的采集與分析，研究試驗(yàn)因素對(duì)振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)的影響規(guī)律，采用正交試驗(yàn)法在不同工藝條件下進(jìn)行切削試驗(yàn)。正交試驗(yàn)法是通過正交表合理安排試驗(yàn)，用盡可能少的試驗(yàn)組確定各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律。

切削過程中影響振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)的因素很多，包括機(jī)床精度、刀具和工件材料、切削參數(shù)及切削環(huán)境等，其中機(jī)床、刀具和工件材料是固定因素，刀具磨損和切削參數(shù)是變化因素[10]。固定因素確定后，影響信號(hào)的主要因素是切削參數(shù)和刀具磨損。結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康?，確定試驗(yàn)因素為：切削參數(shù)和刀具磨損量，每個(gè)因素選3個(gè)水平。切削過程中的刀具磨損劃分為三個(gè)階段：新刀；正常磨損；嚴(yán)重磨損，見表1。試驗(yàn)前進(jìn)行大量切削工作，為加快刀具磨損，采用較大的切削參數(shù)，每走刀一分鐘，測(cè)量刀具后刀面磨損量一次，直到達(dá)到劃分的磨損程度為止。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及機(jī)床性能，確定切削參數(shù)各水平見表2。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)要滿足試驗(yàn)因素≤正交表列數(shù)、因素水平數(shù)與正交表水平數(shù)一致的要求，結(jié)合切削試驗(yàn)選擇因素及水平如表2所列，選取L9（34）正交表設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表3。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

傳感器采集的原始信號(hào)中有許多與試驗(yàn)因素?zé)o關(guān)的信息，必須對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行分析處理，提取與試驗(yàn)因素密切相關(guān)的信號(hào)特征。由于均方根值能夠較好地反映信號(hào)的強(qiáng)弱，而且簡單直觀、易于理解，因此以信號(hào)的均方根值作為試驗(yàn)指標(biāo)。提取每次試驗(yàn)所采集振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)的均方根值所獲得的試驗(yàn)結(jié)果見表3。

3.1 切削參數(shù)與刀具磨損對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響

對(duì)表3中振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到均方根的均值主效應(yīng)圖，如圖2所示，均方根極差分析結(jié)果見表 4。

由圖 2可看出，在試驗(yàn)切削參數(shù)范圍內(nèi)，隨著切削速度vc的增大，振動(dòng)信號(hào)均方根值的均值減小，說明振動(dòng)信號(hào)逐漸減小，這主要是由于隨著切削速度vc增加，切削溫度逐漸提升，使材料發(fā)生軟化現(xiàn)象，切削力降低，導(dǎo)致振動(dòng)減小，因而在實(shí)際加工中可以通過提高切削速度vc來降低切削振動(dòng)。進(jìn)給速度f對(duì)切削振動(dòng)信號(hào)影響最大，隨著進(jìn)給速度f的加大，振動(dòng)不斷增強(qiáng)。因?yàn)檫M(jìn)給速度f的加大會(huì)使單位時(shí)間內(nèi)的切削面積增大，切削力也隨之增大，從而振動(dòng)加劇。切削深度ap對(duì)振動(dòng)也有比較明顯的影響，隨著切削深度ap的增加，振動(dòng)也逐漸增強(qiáng)，這是由于隨著切削深度ap的增加，切削力變大，切削振動(dòng)也隨之增大。

刀具磨損的不同階段對(duì)振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生不同影響。當(dāng)?shù)毒吣p量VB從0增大至0.2 mm，振動(dòng)信號(hào)減小，說明在初期磨損階段，隨著刀具的磨損，刀刃變得越來越鋒利，導(dǎo)致切削力的降低，振動(dòng)也隨之減小。當(dāng)?shù)毒吣p量為0.2mm≤VB≤0.4mm時(shí)，刀具處于正常磨損階段。之后，刀具仍具有切削能力，但很快就進(jìn)入紅熱狀態(tài)（如圖3所示），刀具的磨損速度加快，刀具迅速鈍化，直至失效，表明刀具已進(jìn)入急劇磨損階段（VB>0.4 mm），此時(shí)，切削能力降低、切削力增大，振動(dòng)隨之增大。需指出的是，由于該階段持續(xù)時(shí)間短暫（約10秒），所以無法采集到刀具磨損對(duì)信號(hào)的影響曲線。

經(jīng)過正交運(yùn)算可直接得出振動(dòng)信號(hào)的均方根值極差結(jié)果，見表4。由于均方根的極差數(shù)值越大，則對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響越大，故在表4的四個(gè)影響因素（vc、f、ap、VB）中，各因素對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響從大到小依次為：進(jìn)給速度、切削深度、刀具磨損、切削速度。

3.2 切削參數(shù)與刀具磨損對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響

對(duì)表3中聲發(fā)射相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到聲發(fā)射信號(hào)均方根值的主效應(yīng)圖，如圖4所示，均方根極差見表5。

由圖3可看出，切削參數(shù)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的均方根值都有明顯的影響，在給定的切削參數(shù)范圍內(nèi)，隨著切削速度vc的提升、進(jìn)給速度f 的加快和切削深度ap的加大，聲發(fā)射信號(hào)的均方根值也不斷地增大，這主要是由于隨著切削參數(shù)的不斷增大，材料去除率不斷變大，切削力也隨之增加，使工件與切屑的塑性變形增加，工件和切屑與刀具間的摩擦加劇，因而導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)的增大。其中，切削速度vc的影響最大。

圖4采集到的僅是正常磨損階段前的刀具磨損值對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響曲線。從圖中可以看出，隨著刀具磨損量的增加，聲發(fā)射信號(hào)均方根值不斷減小。這主要是因?yàn)椋涸谙嗤邢鲄?shù)的情況下，刀具副后刀面的磨損會(huì)使磨損量大的刀具比磨損量小的刀具的切削深度小，由以上分析我們已經(jīng)知道，聲發(fā)射信號(hào)隨著切削深度的增大而增大，所以磨損量大的刀具的聲發(fā)射信號(hào)要小。與3.1相同原因，未能采集到刀具磨損量VB>0.4mm時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)，但從理論上講，當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)入急劇磨損階段時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的均方根應(yīng)該迅速增加。

由表5中聲發(fā)射均方根值的極差結(jié)果可看出，四個(gè)影響因素因?qū)β暟l(fā)射信號(hào)的影響順序從大到小依次為：切削速度、刀具磨損、進(jìn)給速度、切削深度。

4 結(jié)論

通過正交試驗(yàn)，分析了切削參數(shù)和刀具磨損對(duì)切削振動(dòng)和聲發(fā)射信號(hào)的影響情況。研究結(jié)果表明：對(duì)于振動(dòng)信號(hào)，在本研究切削用量范圍內(nèi)，即71m/min≤vc≤109m/min、0.09mm≤f≤0.13mm、0.6mm≤ap≤1.0mm，因提高切削速度，振動(dòng)信號(hào)減小，所以可通過提高切削速度來減小振動(dòng)；因切削深度、進(jìn)給速度和刀具磨損的增大都會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)加強(qiáng)，其中進(jìn)給速度和切削深度有顯著影響，各因素對(duì)振動(dòng)信號(hào)的影響次序?yàn)椋哼M(jìn)給速度>切削深度>刀具磨損>切削速度；對(duì)于聲發(fā)射信號(hào)，切削速度、切削深度和進(jìn)給速度的增大都會(huì)導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)加強(qiáng)，而一定范圍內(nèi)的刀具磨損量增加使得聲發(fā)射信號(hào)減小，各因素對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響次序?yàn)椋呵邢魉俣?gt;刀具磨損>進(jìn)給速度>切削深度。

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