韓陸依 ，劉日良

(山東大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.高效潔凈機(jī)械制造教育部重點實驗室，濟(jì)南 250061)

0 引言

螺旋槳葉片工件廣泛應(yīng)用于船舶和能源轉(zhuǎn)換等工業(yè)領(lǐng)域，要求加工的高精度和幾何準(zhǔn)確性[1]，另一方面由于螺旋槳葉片屬于典型的薄壁類零件，加工過程中需要去除大量的材料，目前主要采用球頭銑和立銑等加工方式，難以達(dá)到令人滿意的加工效率[2]。所以如何提高該類零件的加工效率是制約葉片零件生產(chǎn)加工的關(guān)鍵性問題。

旋風(fēng)銑削作為一種廣泛應(yīng)用于渦輪蝸桿加工[3-4]的技術(shù)工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)一次走刀成型，具有極高的加工效率[5]。因為其加工過程出色的材料去除率優(yōu)勢，近年來其在其他零件領(lǐng)域的加工應(yīng)用拓展引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中Matsumura等[6]提出采用旋風(fēng)銑削加工柱形工件表面凹槽取代傳統(tǒng)的激光和化學(xué)刻蝕技術(shù)；Serizawa等[7]采用內(nèi)旋風(fēng)銑削方式進(jìn)行螺旋型板件材料的加工；王建軍等[8]提出了采用圓環(huán)形盤銑刀包絡(luò)銑削汽輪機(jī)葉片曲面的新方法，分析結(jié)果表明該方法下刀具軌跡的行程相對于傳統(tǒng)球頭刀包絡(luò)銑削加工明顯縮短；此外，朱海光等[9]從空間幾何方面開展了旋風(fēng)銑削葉片類零件的前期理論工作。

上述葉片類零件的旋風(fēng)銑削研究工作主要是理論分析，本文針對螺旋槳葉片的旋風(fēng)銑削給出了成型刀軌計算方案并進(jìn)行了實際加工實驗；針對葉片旋風(fēng)銑削過程中大材料去除率的特點，探究了加工過程中工件的動力學(xué)變化情況，獲取了隨著不同階段材料去除后的頻響特性曲線；采集數(shù)據(jù)分析加工不同階段和工件不同位置區(qū)域處的振動情況。

1 螺旋槳葉片零件旋銑刀軌計算方案

三軸旋風(fēng)銑削的關(guān)鍵設(shè)備是具有兩垂直方向平移自由度的外旋風(fēng)銑頭，銑頭刀盤可以安裝成型刀片或者普通機(jī)夾刀片，如圖1所示。加工過程主要靠零件繞頂心中心的緩慢回旋運(yùn)動(C軸)和刀具在X方向和Z向的直線進(jìn)給運(yùn)動配合刀具的高速回轉(zhuǎn)切削運(yùn)動實現(xiàn)對目標(biāo)幾何零件包絡(luò)切削成形。其中X方向的徑向進(jìn)給負(fù)責(zé)配合零件的角度位姿實現(xiàn)葉片表面曲線的切觸加工，Z方向施以對應(yīng)于工件轉(zhuǎn)速的進(jìn)給運(yùn)動實現(xiàn)對整個葉片的成型加工。

1.三爪卡盤 2.頂針 3.旋風(fēng)銑刀 4.外旋風(fēng)銑頭 5.機(jī)床主軸

對于螺旋槳葉片工件的三軸旋風(fēng)銑削，機(jī)夾刀片成一定角度均勻裝夾在旋風(fēng)銑刀刀盤上，旋風(fēng)銑刀由機(jī)床主軸帶動高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對葉片自由曲面的包絡(luò)銑削，銑削示意圖如圖2所示。

(a) 加工一周的運(yùn)動截面

(b) 刀盤圓心繞工件轉(zhuǎn)動1.工件 2旋風(fēng)銑刀刀盤 3.機(jī)夾刀片 4.刀尖旋轉(zhuǎn)切削軌跡 圖2 葉片類零件旋風(fēng)銑削示意圖

對于葉片零件旋風(fēng)包絡(luò)銑削的幾何理論分析文獻(xiàn)[9]已做詳細(xì)闡述。加工過程中，采用繞工件成螺旋型的刀具軌跡，其中加工工件一周的運(yùn)動截面如圖2a所示，其中O為工件回旋中心，Oc為刀盤回轉(zhuǎn)中心。機(jī)夾刀片刀尖旋轉(zhuǎn)切削軌跡在切觸點Q處與葉片截面曲線相切，又因為銑頭預(yù)先安裝的原因，銑刀刀盤圓心Oc與頂心軸線在同一水平面上，即刀盤圓心Oc與工件回旋中心O永遠(yuǎn)同時位于水平軸X軸上。故可知當(dāng)當(dāng)?shù)都恻c位于切觸點時，刀尖點與刀盤圓心的連線與葉片截面曲線的法線共線，即

(1)

因為工件的轉(zhuǎn)速相對于刀盤轉(zhuǎn)速來說非常小，故在分析過程中可設(shè)工件是固定不動的，而刀盤圓心在加工過程中繞工件緩慢轉(zhuǎn)動，如圖2b所示。刀齒1和刀齒2為相鄰兩切削刀齒，刀齒在切觸點Q處完成切削后刀盤轉(zhuǎn)過一定角度隨后刀齒2于Q′處開始進(jìn)行切削，由轉(zhuǎn)速關(guān)系可知相鄰刀齒切削間隔內(nèi)刀盤繞工件轉(zhuǎn)心的轉(zhuǎn)角為：

(2)

其中，ωw，ωt分別為工件和刀盤的旋轉(zhuǎn)角速度，單位rad/s；N為刀盤上均勻安裝的刀齒數(shù)。

(3)

由上述所知，因為刀盤圓心Oc與工件回旋中心O永遠(yuǎn)同時位于水平軸X軸上，所以刀盤徑向進(jìn)給運(yùn)動X為：

(4)

工件轉(zhuǎn)動運(yùn)動C為：

(5)

Z軸進(jìn)給運(yùn)動為：

Z=F·t

(6)

其中，F(xiàn)為刀具軸向進(jìn)給速度。

2 模態(tài)測試及加工振動采集

通過上節(jié)給出的葉片旋銑刀軌計算方案可以得到螺旋槳葉片類零件的外旋風(fēng)銑削加工的刀軌數(shù)據(jù)。另一方面，葉片作為典型的復(fù)雜類零件其加工過程中隨著材料的去除所造成動力學(xué)參數(shù)的變化對于加工過程的影響同樣是不可忽視的[10]，對于旋風(fēng)銑削這種大材料去除率的加工方式該方面的研究顯得更為必要。針對這一問題本節(jié)通過錘擊實驗得到了裝夾工件和刀具的模態(tài)振型，獲取了不同加工階段零件的頻響函數(shù)，并在實際加工過程中采集分析了不同加工階段葉片不同區(qū)域的振動情況。

2.1 模態(tài)實驗設(shè)置

錘擊實驗測試系統(tǒng)主要為了獲取刀具和工件的模態(tài)振型和頻響函數(shù)，以及測試隨著材料去除葉片零件的動力學(xué)參數(shù)的變化。測試系統(tǒng)主要由加速度傳感器、力錘和動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及安裝在PC電腦中的分析軟件組成。分析軟件采用東華DHDAS軟件，模態(tài)測試采用單向加速度傳感器，傳感器和力錘參數(shù)見表1。刀具工件裝夾完畢后對刀具和工件標(biāo)注測試點，刀具6齒分別齒尖分別為1～6號測點，如圖3a所示；工件均布20個測點，其中縱向每列5個，橫向一共4列，如圖3b所示。模態(tài)測試采取單點拾振多點激勵的方法，其中刀具的拾振點為1號測試點，工件的拾振點為1號測試點，每點測試錘擊10次取平均數(shù)據(jù)。

考慮到刀具和工件的直徑-厚度和長度-厚度比較大，在DHDAS軟件分析建模時根據(jù)測試點的分布簡化為2D平面模型，而在旋風(fēng)銑削加工過程中，由于刀具的半徑較大，往往不需要過高的轉(zhuǎn)速就能達(dá)到一個較高的切削速度，加工過程中刀具切削激勵的頻率往往處在較低的頻率段范圍內(nèi)，所以本次實驗主要關(guān)注刀具和工件低階的模態(tài)特性。

(a) 刀具模態(tài)測試現(xiàn)場 (b) 工件測試現(xiàn)場 圖3 實驗示意圖及測試現(xiàn)場

表1 傳感器及力錘參數(shù)

2.2 旋風(fēng)銑削實驗設(shè)置

加工工件材料選用黃銅H59，尺寸184×108×26mm，裝夾采用三爪卡盤對心裝夾，頂針處頂心裝夾壓力為16MPa；銑刀刀盤為自主設(shè)計，直徑204mm，圓周等角度安裝6個刀片，機(jī)夾刀片為株洲WPGT090725ZSR機(jī)夾銑削刀片，測試刀具回旋圓周徑向跳動最大為0.06mm；機(jī)床采用華興WA-715TA數(shù)控系統(tǒng)。

加工過程從開粗到精加工共分三步，所加工葉片零件長度約為120mm，為了測定材料去除對葉片動力學(xué)參數(shù)的影響，每隔30mm為一段提取了工件的頻響函數(shù)。

2.3 錘擊實驗數(shù)據(jù)結(jié)果

圖4所示為刀具和初始工件的前兩階模態(tài)?？梢钥闯觯恒姷兜囊浑A固有頻率約為3509.45Hz，一階模態(tài)振型表現(xiàn)為“一彎”形態(tài)，刀盤沿1～4刀齒連線做同向彎曲；二階固有頻率為4611.38Hz，振型表現(xiàn)為各個相鄰刀齒交錯變形。刀具的前兩階固有頻率離實際加工激勵頻率具有足夠的安全頻率距離，所以刀具的設(shè)計安裝能夠滿足后續(xù)的生產(chǎn)加工。

(a) 刀具前兩階模態(tài)

(b) 初始工件前兩階模態(tài) 圖4 銑刀和初始工件模態(tài)振型和頻率擬合曲線

初始工件在裝夾完畢后的一階固有頻率為276.51Hz，振型表現(xiàn)為繞回旋軸旋轉(zhuǎn)，頂針一側(cè)工件的兩端做同向位移且幅值較大；二階固有頻率為1511.63Hz，成“一彎”形態(tài)，因為頂針處相對卡盤對于工件的夾持固定效果較弱，所以同樣在靠近頂針的一側(cè)其變形更大；二階固有頻率為2338.65Hz，就裝夾回旋軸線和長度方向的中心線成標(biāo)準(zhǔn)十字型扭轉(zhuǎn)。根據(jù)工件的初始模態(tài)測試可知工件在靠近頂針一側(cè)更易發(fā)生變形，而二三階振型在中間區(qū)域變形較小，為了防止材料去除以后工件剛性變小致使變形加大，銑削實驗采取從頂針側(cè)開始加工的方案。

經(jīng)過各道加工之后，測量每段的頻響函數(shù)結(jié)果如圖5所示，通過觀察可知：①隨著材料的去除工件的一階固有頻率持續(xù)增長，而二階固有頻率整體呈下降的趨勢，但是三階固有頻率沒有固定的變化趨勢，主要通過上述模態(tài)初始形態(tài)分析三階模態(tài)振型表現(xiàn)為工件的對稱扭轉(zhuǎn)，而隨著材料去除材料的成型工件不再是標(biāo)準(zhǔn)的幾何體，各部分的有效參與質(zhì)量變化較大，并且隨著材料去除工件的剛度不斷變化，這兩個因素變化率的不同造成了固有頻率變化的不規(guī)則性。圖5b所示，在最后一道加工階段工件的一階固有頻率幾乎不變，而后三階頻率隨著材料的去除而逐漸減小。②隨著材料去除的進(jìn)行在所考慮的3000Hz以內(nèi)開始出現(xiàn)超越三階的頻率，固有頻率分布區(qū)間變窄，由圖5c所知隨著加工的進(jìn)行在1000～2200Hz段固有頻率密度變大；③由曲線幅值的變化可以看出對比第一刀和第二刀隨著材料的去除工件二階段的模態(tài)剛度整體呈下降的趨勢，阻尼呈上升的趨勢，曲線的峰值更為高聳但是下降速度變快，相反的是第三階的曲線峰值變小但是衰減速度變慢。

(a) 前兩刀頻響變化

(b) 第三刀各段頻響變化

(c) 各工序固有頻率變化規(guī)律圖5 不同材料去處狀態(tài)下的頻響函數(shù)

3 實驗數(shù)據(jù)分析

本次實驗實際加工過程中第一刀開粗后在工件表面留下4.5mm余量，由于毛坯為規(guī)則長方體加工過程中徑向切深不斷變化，部分區(qū)域達(dá)到20mm，故該步需要較大功率采用低切削速度500r/min，進(jìn)給速度約為400mm/min。通過上節(jié)的測試結(jié)果已知隨著材料的去除二階固有頻率在1000～1500Hz范圍變化，而第一階固有頻率從280Hz逐步增長到越350Hz。由切削轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系：

其中，Ω為刀盤轉(zhuǎn)速，r/min；Z為刀盤齒數(shù)。

在采用本機(jī)床最高轉(zhuǎn)速1400r/min其刀具切削頻率仍和固有頻率具有一定距離。故設(shè)定第二刀刀具徑向切深為3mm，切削速度1000r/min，進(jìn)給速度約為750mm/min；最后一刀徑向切深為1mm，切削速度1400r/min，進(jìn)給速度約為500mm/min。

按照該規(guī)劃加工完成的葉片零件如圖6a所示，可以看出工件在前半段的表面質(zhì)量相較于葉片后半段更好，主要原因是隨著材料的去除工件的剛度降低造成了加工響應(yīng)幅值，圖6b所示為隨著各段位置材料去除過程采集到的振動信號幅值變化情況，振動信號幅值在材料前30mm隨著加工的進(jìn)行而增大，但在60mm處出現(xiàn)一個降低的趨勢，通過上節(jié)分析可知，工件的前三階振型在工件的中部和中部靠前部位變形最小考慮有節(jié)點存在，故在該區(qū)域振動幅值出現(xiàn)下降。加工通過該節(jié)點區(qū)域后振動幅值持續(xù)增長。

(a) 成型螺旋槳葉片模型

(b) 加工過程振動幅值變化 圖6 加工葉片和振動數(shù)據(jù)變化

考慮到葉片幾何形狀的復(fù)雜性，葉背和葉緣區(qū)域厚度相差較大，為了探究葉片零件不同區(qū)域的加工振動情況，將葉片環(huán)狀分為4個區(qū)域，分別為兩側(cè)葉緣的區(qū)域A和C，兩面中間平坦區(qū)域B和D，并截取了最后一道工序第4段加工葉片一周的振動信號情況。如圖7a所示。

加工一周的振動信號在兩側(cè)葉緣A、C區(qū)域達(dá)到最大，分析原因主要是該區(qū)域葉片厚度較薄剛度弱距離回轉(zhuǎn)中心遠(yuǎn)，對于激勵的響應(yīng)更為劇烈，且參照上述模態(tài)振型分析，在一階和三階振型中遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)中心的區(qū)域其變形幅值比較大；另一方面從刀具—工件幾何形態(tài)上分析在該區(qū)域銑刀切向切削力接近垂直工件平面激勵工件，這也是造成這兩個區(qū)域振動劇烈的原因。而對于葉片相對較厚的B、D區(qū)域，振動的幅度相對較低且穩(wěn)定，但是值得注意的是，在加工該區(qū)域到達(dá)接近回旋中心區(qū)域即刀具達(dá)到在X軸方向進(jìn)給的最大值時，此刻隨著加工的進(jìn)行刀具將會在X方向變向運(yùn)動，從B、D區(qū)域的信號曲線可以看出該變向運(yùn)動造成了振動信號的跳躍式變化。

如圖7b所示，在對各段信號轉(zhuǎn)換到頻域分析可以看出各段加工信號存在一個約400Hz左右的諧波成分，這說明加工過程中一階振型是主要參與模態(tài)；除此之外區(qū)域A信號呈現(xiàn)出顯著的5000Hz諧波分量，C區(qū)域信號有約5000Hz和6000Hz的諧波分量，這表明在這兩個區(qū)域發(fā)生了明顯的高階顫振。

截取圖7a中框線內(nèi)區(qū)域信號放大可以看出銑削過程切削過程都是單齒加工，切削過程工件隨刀具切削激勵做復(fù)雜強(qiáng)迫振動。如圖7c顯示，振動信號在每一刀齒接觸工件開始切削的一瞬間發(fā)生階躍跳動，隨后緩慢下降。分析該現(xiàn)象原因是因為刀具切削過程中初始階段快速達(dá)到最大切削厚度，即達(dá)到最大切削力，然后切削厚度持續(xù)減小直至切出工件，同時葉片不同位置區(qū)域的曲率不斷變化致使最大切削深度隨之改變，激勵的峰值隨著加工的進(jìn)行而改變，造成該過程振動的峰值不斷變化；每個刀齒的切削周期的最后階段在當(dāng)前刀齒離開切削狀態(tài)而下一刀齒仍未進(jìn)入切削的短暫時間內(nèi)振動信號顯示出做伴隨自由振動的波動形狀。

(a) 環(huán)葉片一周振動信號

(b) 各區(qū)域振動頻率信號

(c) 加工振動區(qū)域放大信號 圖7 葉片旋風(fēng)銑削振動信號

4 結(jié)束語

為提高生產(chǎn)效率，本文將旋風(fēng)銑削加工工藝應(yīng)用于螺旋槳葉片的加工，給出了導(dǎo)軌計算方法并利用該方法進(jìn)行了實際加工實驗獲得了成型的葉片零件；實驗獲得了裝夾刀具和工件的模態(tài)振型，顯示工件靠近頂針一側(cè)更易發(fā)生振動，考慮材料去后工件振動增加的特性采取了由頂針一側(cè)開始加工的方案；分析加工過程動力學(xué)參數(shù)的變化，得出了固有頻率分布和變化的規(guī)律，為規(guī)避共振選擇加工參數(shù)提供了依據(jù)；實際加工振動受振型、材料去除和工件幾何區(qū)域影響，振動幅值整體隨著材料的去除而增加但在振型節(jié)點區(qū)域有明顯地降低；受1、3階振型的影響和自身較薄剛度差的特點遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)中心的葉緣部分振動更為劇烈，加工過程要格外關(guān)注存在高階頻率成分的顫振。