馬 巖,宋明亮,楊春梅*,周玉成,趙敬光,陳葉葉

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040；3.山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

實(shí)木門窗料通常采用落葉松、紅松、楸木、橡木和樺木等木材，這些木材要經(jīng)過(guò)一系列的處理后做成集成材才能用于木門窗的生產(chǎn)，原因是集成材沒有改變木材的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，但在抗拉和抗壓強(qiáng)度方面都優(yōu)于整根木材[1-2]。集成材的優(yōu)點(diǎn)在于耐水，耐腐蝕，油漆性能好，硬度高，木紋質(zhì)感強(qiáng)等。實(shí)木門窗料是天然木材經(jīng)烘干、加工后形成的家居裝飾材料。它呈現(xiàn)出的天然原木紋理和色彩圖案，給人以自然、柔和、富有親和力的質(zhì)感，同時(shí)由于它冬暖夏涼、觸感好的特性使其成為臥室、客廳、書房等木門窗裝修的理想材料，所以越來(lái)越多的居民采用實(shí)木門窗料進(jìn)行室內(nèi)裝修[3-4]。而在實(shí)木門窗料加工過(guò)程中，需要進(jìn)行銑削加工工序，由于木質(zhì)材質(zhì)本身的特性，銑削刀具工作所產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)引起窗型的加工質(zhì)量，同時(shí)對(duì)刀具夾緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響，合理采用銑削刀具和銑削運(yùn)動(dòng)參數(shù)，減少銑削過(guò)程中銑削振動(dòng)的影響[5]。由于門窗料銑削振動(dòng)的理論分析與試驗(yàn)研究較少，因此通過(guò)試驗(yàn)研究進(jìn)行銑削振動(dòng)理論分析，研究實(shí)木門窗料銑削振動(dòng)對(duì)加工過(guò)程中的影響。在實(shí)木門窗料銑削加工過(guò)程中，銑削振動(dòng)的大小會(huì)直接影響到銑削對(duì)象的加工品質(zhì)，加工的效率以及刀具使用壽命，通過(guò)研究銑削參數(shù)(進(jìn)給速度、切削速度、切削寬度)[6]，銑削形式(順銑和逆銑)對(duì)銑削振動(dòng)的影響，分析如何在保證加工效率和加工品質(zhì)情況下，來(lái)選擇合適的銑削參數(shù)[7-8]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)所用的門窗材采用由東北林業(yè)大學(xué)林業(yè)與木工機(jī)械工程中心購(gòu)置的樺木門窗料板材。工件尺寸為500 mm×100 mm×60 mm，考慮用于實(shí)木門窗料生產(chǎn)的的材質(zhì)非常多，選用實(shí)木門窗料加工生產(chǎn)較多的樺木作為試驗(yàn)對(duì)象。樺木木材紋理直、結(jié)構(gòu)均勻，重量、硬度、干縮、強(qiáng)度及沖擊韌性中等，選擇樺木作為研究對(duì)象，主要是其加工性能好、力學(xué)強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，并且研究分析樺木在銑削過(guò)程中銑削參數(shù)對(duì)銑削振動(dòng)的影響是比較有意義的。圖1是試驗(yàn)所用的樺木板材，圖2是銑削成型樺木實(shí)木門窗料，表1是樺木材質(zhì)物理屬性主要參數(shù)。

采用銑削的機(jī)械加工方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)所采用機(jī)床為MIKRON UCP710數(shù)控銑加工中心，刀具為煒銘公司生產(chǎn)的木門窗用成型刀具，如圖3所示的凹凸公母刀槽榫硬質(zhì)合金銑刀試驗(yàn)刀具，柄銑刀型號(hào)為BT30×40-60，刀具型號(hào)為WM-H80-4T，刀具孔直徑為35 mm，木材最大厚度80 mm，硬質(zhì)合金刀片刃長(zhǎng)30 mm，最大加工深度25 mm。本文所使用的合金刀具采用高頻焊接和精磨工藝，這樣保證了刀具的精準(zhǔn)度和提高刀具的使用效率[9]。

圖1 試驗(yàn)用板材

圖2 成型實(shí)木門窗料(樺木)

表1 常用實(shí)木板材主要參數(shù)

試驗(yàn)中所采用的試驗(yàn)和檢測(cè)設(shè)備有測(cè)力儀，其型號(hào)為Kistler 9257B；加速度傳感器，其型號(hào)為Kistler 353A02；還有一些裝夾定位設(shè)備以及屏幕顯示器。

1.2 研究方法及模型建立

銑削振動(dòng)作為銑削加工過(guò)程中一種常見的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著銑削加工過(guò)程的穩(wěn)定性，同時(shí)也制約著機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，直接影響工件的加工質(zhì)量和刀具壽命。振動(dòng)產(chǎn)生的主要原因是機(jī)床刀具工件系統(tǒng)受銑削力的影響，刀具與工件之間產(chǎn)生相對(duì)位置的改變，引起動(dòng)態(tài)切削厚度的變化，從而不斷為系統(tǒng)的振動(dòng)提供能量，銑削振動(dòng)屬于自激振動(dòng)[10]。銑削過(guò)程中切削振動(dòng)較大時(shí)，可能會(huì)加劇刀具的磨損、破損甚至折斷。切削振動(dòng)的研究主要涉及到銑削動(dòng)力學(xué)，因此有必要建立實(shí)木門窗料銑削過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型[11-12]。

圖3 凹凸公母刀槽榫硬質(zhì)合金銑刀試驗(yàn)刀具

為更好研究銑削過(guò)程刀具的切削振動(dòng)且不失一般性，我們只對(duì)刀具柔性的2自由度集中參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析計(jì)算，如圖4所示的動(dòng)力學(xué)模型，圖中f指的是工件相對(duì)刀具的進(jìn)給方向，φj(t)指的是第j刀齒的角位移，ae為徑向切深，Ω為主軸轉(zhuǎn)速(單位：r/min)，F(xiàn)t，j和Fr，j分別為第j刀齒受到的切向和徑向切削力分量，其銑削過(guò)程動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的控制方程可以表示下式(1)[13-14]：

(1)

式中，M——刀具模態(tài)質(zhì)量矩陣；C——阻尼矩陣；K——?jiǎng)偠染仃嚕籷(t)——模態(tài)坐標(biāo)；T——時(shí)滯量，其值等于刀齒切削周期，即T=60/(N×Ω)，其中N為刀具刀齒數(shù)；Kc(t)表示切削力系數(shù)矩陣，滿足Kc(t)=Kc(t+T)，定義為：

(2)

式(2)中，aq指的是軸向切深，hxx(t)，hxy(t)，hyx(t)和hyy(t)分別為：

(3)

(4)

(5)

(6)

式(3)～式(6)中，Kτ和Kn為線性化切向與法向切削力系數(shù)，φj(t)表示第j刀齒的角位移。

(7)

圖4 刀具柔性的2自由度集中參數(shù)動(dòng)力學(xué)模型

窗函數(shù)g(φj(t))定義為：

(8)

式中，φst和φφx為第j刀齒的切入和切出角。

(9)

從上述銑削過(guò)程動(dòng)力學(xué)建?？芍?，刀具-刀柄-主軸的結(jié)合面參數(shù)以及刀具的幾何參數(shù)均比較復(fù)雜，解析或數(shù)值獲取刀具動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)M、C和K十分困難。目前常用的獲取刀尖頻響函數(shù)的方法可分2大類：一種是試驗(yàn)法，即基于力錘沖擊的模態(tài)試驗(yàn)方法[15]，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易操作，但缺點(diǎn)是均需對(duì)不同的刀具-刀柄-主軸組合實(shí)施模態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)的工作量比較大；另一種方法是試驗(yàn)-解析法，外國(guó)學(xué)者Schmitz[16]等提出了導(dǎo)納耦合子結(jié)構(gòu)分析(RCSA)方法，該方法可用于獲取刀具-刀柄-主軸的結(jié)合面動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并解析預(yù)報(bào)刀尖點(diǎn)頻響函數(shù)以及預(yù)測(cè)系統(tǒng)變化前后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而大幅減少模態(tài)試驗(yàn)錘擊次數(shù)以及必要試驗(yàn)測(cè)量數(shù)量，且通過(guò)仿真與試驗(yàn)的手段可以進(jìn)行求解和驗(yàn)證。

對(duì)于切削力系數(shù)Kt和Kn的辨識(shí)主要方法有：一種方法是力學(xué)建模方法[17]，其是基于正交切削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)建立模型的，僅僅需要知道工件材料的正交切削數(shù)據(jù)，即可確定不同刀具參數(shù)與工藝參數(shù)下切削力模型中的待定系數(shù)；另一種方法是試驗(yàn)標(biāo)定法[18]，其是基于靜力學(xué)模型的建模方法，是針對(duì)選定的刀具-工件組合，實(shí)測(cè)若干組工藝參數(shù)下的切削力后標(biāo)定模型中的切削力系數(shù)。本文對(duì)實(shí)際的銑削過(guò)程中刀具系統(tǒng)產(chǎn)生的切削振動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，然后從試驗(yàn)中找出實(shí)木門窗料銑削加工過(guò)程的銑削參數(shù)對(duì)銑削振動(dòng)的影響以及其規(guī)律。

1.3 試驗(yàn)方法

木材銑削機(jī)加工分為順銑和逆銑兩種形式，銑削過(guò)程刀具會(huì)由于切削厚度的增加導(dǎo)致刀具受到的沖擊相對(duì)較大，為更加充分地反映銑削過(guò)程對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的影響，在試驗(yàn)中采用順銑和逆銑2種銑削方式進(jìn)行對(duì)比切削[19]。實(shí)木門窗料銑削加工試驗(yàn)主要是研究切削參數(shù)(進(jìn)給速度、切削速度和切削寬度)變化對(duì)實(shí)木門窗料銑削振動(dòng)的影響分析。圖5是刀具銑削方案。

圖5 刀具銑削方案

試驗(yàn)中研究切削速度vc、進(jìn)給速度f(wàn)和切削寬度ae(即常用刨削深度來(lái)表示木材切削深度)三要素對(duì)機(jī)床銑削過(guò)程中的切削振動(dòng)[20]?？紤]到試驗(yàn)中試驗(yàn)材料為板材，軸向沒有進(jìn)行銑削加工，因此在試驗(yàn)中不研究銑削軸向的切削深度(即常用刨削深度來(lái)表示木材切削深度)，僅對(duì)立銑刀徑向銑削深度考慮，即切削寬度。刀具銑削參數(shù)如圖6所示。

圖6 刀具銑削參數(shù)示意

對(duì)于實(shí)木門窗料切削參數(shù)的選擇，通過(guò)參考國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者的大量文獻(xiàn)資料[21]，可知試驗(yàn)選用的切削參數(shù)范圍為切削速度400～1 200 m/min，進(jìn)給速度2～10 m/min，結(jié)合實(shí)木門窗料高速切削的特點(diǎn)，本文選用的實(shí)木門窗料銑削試驗(yàn)參數(shù)如表2所示，其中包括進(jìn)給速度、切削速度和切削寬度3個(gè)參數(shù)的單因素試驗(yàn)。通過(guò)采集數(shù)據(jù)儀器來(lái)采集切削過(guò)程中各切削參數(shù)對(duì)切削振動(dòng)影響的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 切削速度對(duì)切削振動(dòng)的影響

圖7為切削速度對(duì)試驗(yàn)板材切削振動(dòng)影響的變化條形圖，門窗材板材切削下順銑狀態(tài)如圖7(a)所示，而圖7(b)為板材切削的逆銑狀態(tài)。不同切削速度下順銑時(shí)，X向切削振動(dòng)在4.2～19.6 m/s2較小值范圍內(nèi)波動(dòng)，Y向振動(dòng)在8.0～18.1 m/s2范圍內(nèi)波動(dòng)，Z向振動(dòng)在5.8～25.5 m/s2范圍內(nèi)波動(dòng)。從這些切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可知，數(shù)據(jù)的起伏情況很明顯是受到實(shí)木門窗料銑削振動(dòng)的影響，使得各參數(shù)切削力波動(dòng)較大。逆銑時(shí)，X和Z向振動(dòng)較為平穩(wěn)，當(dāng)切削速度Vc=400～800 m/min時(shí)，X方向切削振動(dòng)在10 m/s2左右上下波動(dòng)，而Z方向振動(dòng)在8 m/s2波動(dòng)，當(dāng)Vc>1 000 m/min后，X方向切削振動(dòng)突然增加在22.5 m/s2，然后隨著切削速度增加，振動(dòng)呈近似線性下降趨勢(shì)。而Y方向切削速度在400～1 200 m/min時(shí)，切削振動(dòng)由21.2 m/s2迅速增大到64.2 m/s2，當(dāng)Vc>1 200 m/min后，Y方向切削振動(dòng)在60 m/s2范圍內(nèi)波動(dòng)。

表2 實(shí)木門窗料銑削試驗(yàn)參數(shù)

2.2 進(jìn)給速度對(duì)切削振動(dòng)的影響

進(jìn)給速度對(duì)試驗(yàn)板材切削振動(dòng)影響的變化條形圖如圖8所示，其中門窗材板材切削下順銑狀態(tài)如圖8(a)所示，而圖8(b)為板材切削的逆銑狀態(tài)。不同進(jìn)給速度下順銑時(shí)，Y方向振動(dòng)由6.5 m/s2逐步增至34.2 m/s2，而X方向振動(dòng)由5.0 m/s2逐步增至43.2 m/s2，Z方向振動(dòng)由11.2 m/s2逐步增至65.5 m/s2，X和Z方向的振動(dòng)和Y方向的振動(dòng)仍然呈逐漸增大的趨勢(shì)，這是由于試驗(yàn)對(duì)象木質(zhì)纖維方向與進(jìn)給方向、切削力方向存在差異，造成切削振動(dòng)值波動(dòng)非常大。逆銑時(shí)，X方向振動(dòng)大致由8.6 m/s2逐步增至34.2 m/s2，Y方向振動(dòng)大致由19.4 m/s2逐步增至51.5 m/s2，Z方向振動(dòng)大致由6.2 m/s2逐步增至18.3 m/s2，由此可知X、Y、Z方向的振動(dòng)均呈逐步增大的趨勢(shì)，Y向振動(dòng)明顯比X和Z向大一些，這是由于逆銑時(shí)切削力方向與進(jìn)給方向不同等原因引起的。

2.3 切削寬度對(duì)切削振動(dòng)的影響

不同銑削方式下切削寬度對(duì)實(shí)木門窗料板材的切削振動(dòng)的變化趨勢(shì)條形圖如圖9。圖9(b)為逆銑狀態(tài)。不同切削寬度下順銑時(shí)，X和Z方向切削振動(dòng)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，如圖9(a)，為不同銑削方式下順銑狀態(tài)的振動(dòng)趨勢(shì)。在切削寬度為4 mm時(shí)，X方向振動(dòng)突然增大至54.5 m/s2，然后隨著切削寬度的增加，切削振動(dòng)逐漸減小，這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于在此切削寬度下的刀具切削振動(dòng)的頻率和機(jī)床系統(tǒng)固有頻率相近，切削振動(dòng)與機(jī)床系統(tǒng)發(fā)生了共振現(xiàn)象，而此時(shí)的切削寬度值處于機(jī)床的共振區(qū)，從圖中可以知道反映機(jī)床系統(tǒng)固有頻率的加速度值應(yīng)該在54.5 m/s2左右。而Y方向的振動(dòng)隨著切削寬度的增加呈逐漸增大的趨勢(shì)，在切削寬度為6 mm時(shí)，切削振動(dòng)突然變大，這是由于此切削寬度離機(jī)床系統(tǒng)共振區(qū)較近，但是不明顯。Z方向的振動(dòng)基本上在9～20 m/s2范圍內(nèi)波動(dòng)，沒有較為明顯的波動(dòng)值。逆銑時(shí)，X、Y、Z方向的切削振動(dòng)較為平穩(wěn)，變化較小，振動(dòng)測(cè)量值集中在20 m/s2左右，其中只有X方向的切削振動(dòng)在切削寬度為3 mm時(shí)，有明顯的波動(dòng)情況，其振動(dòng)值為32.3 m/s2，出現(xiàn)這種情況的原因很有可能接近于機(jī)床的共振區(qū)。

圖7 不同銑削方式的切削速度對(duì)切削振動(dòng)的影響

圖8 不同銑削方式的進(jìn)給速度對(duì)切削振動(dòng)的影響

圖9 不同銑削方式的切削寬度對(duì)切削振動(dòng)的影響

3 結(jié)論與討論

實(shí)木門窗料銑削振動(dòng)特性的理論分析與試驗(yàn)研究表明，切削速度不同時(shí)，順銑X向切削振動(dòng)在較小值范圍內(nèi)波動(dòng)，Y向振動(dòng)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，逆銑時(shí)，X和Z向振動(dòng)較為平穩(wěn)；進(jìn)給速度不同時(shí)，順銑Y方向振動(dòng)增大；X和Z方向的振動(dòng)也是呈逐漸增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)榧庸?duì)象木質(zhì)纖維方向與進(jìn)給方向、切削力方向存在差異，且刀齒的進(jìn)給速度增大，刀具面的剛度和阻尼都會(huì)受到影響，而刀具的質(zhì)量矩陣M、阻尼矩陣N以及剛度矩陣K對(duì)銑削振動(dòng)產(chǎn)生一定的影響，這引起切削振動(dòng)值波動(dòng)較大；而逆銑時(shí)，各個(gè)方向的振動(dòng)呈逐步增大的趨勢(shì)，由于逆銑時(shí)切削力方向與進(jìn)給方向不同，Y向振動(dòng)明顯比X和Z向大一些。切削寬度不同時(shí)，順銑切削振動(dòng)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，逆銑時(shí)，切削振動(dòng)較為平穩(wěn)，變化較小。從文中可以分析得知，銑削振動(dòng)隨著切削速度、進(jìn)給速度和切削寬度大小變化而產(chǎn)生不同影響，同時(shí)也與切削力X、Y、Z方向有一定關(guān)系，但順銑和逆銑對(duì)銑削振動(dòng)影響較小。

通過(guò)研究實(shí)木門窗料銑削過(guò)程動(dòng)力學(xué)原理以及建立的銑削動(dòng)力學(xué)模型，說(shuō)明銑削振動(dòng)與刀具的模態(tài)質(zhì)量矩陣M、阻尼矩陣N以及剛度矩陣K有一定的相關(guān)性，且設(shè)計(jì)了切削參數(shù)的單因素試驗(yàn)，給出了各切削參數(shù)對(duì)銑削過(guò)程的銑削振動(dòng)的影響規(guī)律。

通過(guò)切削參數(shù)分析得知，銑削振動(dòng)隨著切削速度、進(jìn)給速度和切削寬度的增加而增大。

通過(guò)對(duì)2種銑削形式分析得知，順銑和逆銑2種銑削形式對(duì)銑削振動(dòng)的影響較小。

通過(guò)對(duì)不同銑削形式、切削參數(shù)分析得知，銑削振動(dòng)波動(dòng)大小的影響也與切削力X、Y、Z方向有一定關(guān)系。

通過(guò)對(duì)實(shí)木門窗料銑削振動(dòng)理論分析與試驗(yàn)研究分析，可以為后續(xù)生產(chǎn)選擇合適的銑削形式、切削參數(shù)、工藝參數(shù)，提高刀具壽命，減少振動(dòng)產(chǎn)生的品質(zhì)影響提供試驗(yàn)與理論指導(dǎo)依據(jù)。