王成安, 王海雄, 潘祖吉, 黃增祥

(桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院, 廣西 桂林 541006)

0 引 言

在切削過程中, 切削刀具與被切削工件之間因振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生頻率和能量的改變, 頻率反映了振動(dòng)的快慢, 能量峰值反映振動(dòng)的大小。在確保切削時(shí)刀具不發(fā)生斷裂的情況下, 振動(dòng)會(huì)使得工件形貌呈現(xiàn)振痕, 影響加工質(zhì)量, 導(dǎo)致刀具磨損, 嚴(yán)重時(shí)將會(huì)產(chǎn)生刀具劇烈磨損甚至刀具斷裂[1]。振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致刀具受到除切削力外的沖擊力, 強(qiáng)烈的振動(dòng)沖擊往往也會(huì)使刀具斷裂, 導(dǎo)致加工不能正常完成, 所以對數(shù)控銑削加工振動(dòng)頻率和能量開展研究非常有意義。

目前， 對切削的研究主要包括振動(dòng)的影響因素和調(diào)節(jié)振動(dòng)以改善加工表面質(zhì)量。崔政等[2]通過正交試驗(yàn)的方法研究切削參數(shù)的影響, 采集x、y、z3個(gè)方向的切削力信號和切削振動(dòng)信號, 通過方差分析、貢獻(xiàn)率計(jì)算和相關(guān)分析, 刀具背吃刀量對主切削方向的力和進(jìn)給方向的力影響最大, 進(jìn)給量對 3個(gè)方向在切削時(shí)振動(dòng)影響最大, 切削速度對切削力和切削振動(dòng)影響最小。張軍等[3]通過精切削加工實(shí)驗(yàn)分別研究振動(dòng)頻率、 主軸轉(zhuǎn)速頻率和刀具半徑尺寸等參數(shù)對工件表面質(zhì)量的影響, 結(jié)果表明振動(dòng)頻率、 主軸轉(zhuǎn)速頻率的比值對表面質(zhì)量有決定性作用, 并提出通過改變主軸轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率和主軸轉(zhuǎn)速頻率達(dá)到一個(gè)目標(biāo)值, 從而得到高質(zhì)量的加工表面。

在數(shù)控銑削加工過程中, 主軸轉(zhuǎn)速、 進(jìn)給速度和切削深度是最為重要的工藝參數(shù), 當(dāng)這3個(gè)參數(shù)的設(shè)定值發(fā)生變化, 會(huì)引起加工過程的振動(dòng)頻率和振動(dòng)能量發(fā)生變化。本文利用自行設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)對數(shù)控銑削加工的振動(dòng)頻率和能量進(jìn)行測試, 探究振動(dòng)頻率和能量的變化規(guī)律。通過對銑削6061-T651鋁合金上的U形槽, 采集銑削過程中銑削系統(tǒng)的振動(dòng)信號， 通過可視化的能量頻譜圖、 銑削的工件表面圖、 工件影像測量儀下的結(jié)構(gòu)圖分析振動(dòng)頻率和振動(dòng)能量對銑削質(zhì)量的影響。

1 測試系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)使用的是CA-YD-103電荷輸出型壓電式加速度傳感器； 采用32位STM32F103C8T6單片機(jī)； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用芯片自帶內(nèi)嵌的2個(gè)12位數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC), 每個(gè)轉(zhuǎn)換器共用多達(dá)16個(gè)外部通道, 可以實(shí)現(xiàn)單詞或掃描轉(zhuǎn)換[4-5]。信號處理模塊先將壓電式加速度傳感器輸出的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號, 電壓信號經(jīng)過放大、 濾波后轉(zhuǎn)換成0～5 V電壓信號, 再輸入到單片機(jī)的PA1引腳, 單片機(jī)內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換模塊讀取PA1引腳上的電壓信號, 并將讀取到的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號, 最后通過串口將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。在掃描模式下, 自動(dòng)選定一組模擬輸入上的轉(zhuǎn)換。該振動(dòng)檢測系統(tǒng)的硬件使用的單片機(jī)直接采用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板, 該系統(tǒng)板已經(jīng)配備了底層的供電、 晶振、 復(fù)位等基礎(chǔ)功能, 需要自行焊接傳感器接口、 電荷放大電板、 信號調(diào)試板、 濾波放大板和A/D轉(zhuǎn)換模塊[6]， 根據(jù)原理圖將元器件排布、 焊接即可, 系統(tǒng)硬件實(shí)物如圖1所示。

圖1 檢測系統(tǒng)實(shí)物圖

2 測試實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)可行性, 并在此基礎(chǔ)上研究不同的銑削參數(shù)和銑削條件下加工工件的表面質(zhì)量效果的關(guān)系[7-8]。本次實(shí)驗(yàn)工件為對稱U槽塊, 因?yàn)閁形槽的加工可以實(shí)現(xiàn)刀具來回切削的平滑過渡, 并且銑削加工的振動(dòng)影響主要體現(xiàn)在平面加工質(zhì)量。使用的材料是6061-T651鋁合金, 此材料韌性高、 抗腐蝕、 加工后不變形加工性能極佳。采用的毛坯尺寸為44 mm×20 mm×10 mm， 工件如圖2所示。

圖2 對稱U槽塊

銑削實(shí)驗(yàn)在XHS7145立式加工中心(圖3)上完成。XHS7145立式加工中心主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)8 000 r/min, 切削進(jìn)給速度在1～5 000 mm/min, 工作臺尺寸700 mm×450 mm, 可滿足實(shí)驗(yàn)需求。選用FAST牌的高速鋼立銑刀對U形槽進(jìn)行銑削切削, 刀具齒數(shù)為4齒, 直徑10 mm, 刀刃長度25 mm, 刀具總長55 mm。

圖3 實(shí)驗(yàn)加工檢測裝置

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

由于機(jī)床自身性能因素, 本文設(shè)置的主軸轉(zhuǎn)速在1 000～2 400 r/min, 進(jìn)給速度設(shè)置在50～400 mm/min, 實(shí)驗(yàn)參數(shù)在此范圍內(nèi)機(jī)床性能最佳, 避免了因主軸轉(zhuǎn)速過快和進(jìn)給速度過大而造成刀具和機(jī)床主軸同軸度誤差變大而對工件表面二次破壞。設(shè)計(jì)了3組單因素試驗(yàn), 分別設(shè)置5種不同的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度, 再根據(jù)兩者試驗(yàn)的結(jié)果, 選取最優(yōu)加工參數(shù)設(shè)置5個(gè)不同切削深度的加工方案來完成所有實(shí)驗(yàn)。表1所示為不同主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的單因素試驗(yàn)參數(shù)。

表1 不同主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的實(shí)驗(yàn)參數(shù)

加工分為3個(gè)工序完成, 分別為鉆孔(直徑6 mm)、 粗加工U形槽和精加工U形槽。根據(jù)加工工藝, 先對所有毛坯件進(jìn)行鉆孔加工, 方便安裝傳感器。待所有毛坯件完成鉆孔后開始對U形槽銑削加工和振動(dòng)數(shù)據(jù)采集[9-10]。加工過程中測試系統(tǒng)對信號數(shù)據(jù)處理, 將單片機(jī)的ADC參考值通過MATLAB的fft()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換, 將轉(zhuǎn)換后的數(shù)繪制成能量頻譜圖。加工的部分樣品如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)樣品圖

3 結(jié)果分析

在粗加工第一次進(jìn)刀的切削中, 測量到的時(shí)域信號波形圖如圖5a所示； 第一次精加工走刀的時(shí)域信號如圖5b所示。

圖5 粗(a、a′)精(b、b′)加工信號波形對比

粗加工和精加工的數(shù)據(jù)參考值波形差異明顯。通過參考值圖的y軸可以明顯看到粗加工的參考值主要集中在2～4, 而精加工的參考值主要集中在0～2。參考值是單片機(jī)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的一個(gè)電壓信號值, 其值由傳感器產(chǎn)生信號大小、 硬件采樣能力決定。經(jīng)過頻域處理后, 可通過軟件坐標(biāo)工具對頻譜圖的峰值進(jìn)行查詢， 可見粗加工時(shí)振動(dòng)頻率在99.6 Hz附近更加集中, 能量最高達(dá)55.28 mV； 精加工在頻域信號處理后振動(dòng)頻率在181和233 Hz能量更加集中, 最高在21.01 mV。在刀具走進(jìn)圓角時(shí)頻率會(huì)發(fā)生變化, 是由于機(jī)床加工臺聯(lián)合移動(dòng)時(shí)導(dǎo)致刀具切削力瞬時(shí)變化引起的。粗加工時(shí)的振動(dòng)能量遠(yuǎn)高于精加工時(shí)的振動(dòng)能量, 說明粗加工時(shí)銑削系統(tǒng)的振動(dòng)更大。這是因?yàn)榇旨庸さ那邢饔昧亢颓邢髯枇Ρ染庸ご? 所以更易引起加工時(shí)的振動(dòng)。

3.1 主軸轉(zhuǎn)速對銑削振動(dòng)能量和頻率的影響

主軸轉(zhuǎn)速是影響效率的重要因素， 但是主軸轉(zhuǎn)速并不是越高越好, 主軸轉(zhuǎn)速的提高會(huì)增加切削的沖擊力, 導(dǎo)致切削系統(tǒng)振動(dòng)位移量增加, 從而影響銑削加工工件的表面質(zhì)量。為了進(jìn)一步研究主軸轉(zhuǎn)速對振動(dòng)頻率和能量的影響, 設(shè)計(jì)了相同的切削用量、 進(jìn)給速度下不同的主軸轉(zhuǎn)速加工實(shí)驗(yàn), 具體銑削參數(shù)見表1, 對采集到的信號進(jìn)行分析處理, 得到刀具切削頻率、 檢測振動(dòng)頻率和能量峰值隨主軸轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 不同主軸轉(zhuǎn)速下的能量頻率數(shù)據(jù)對比

可見主軸轉(zhuǎn)速在1 000～2 400 r/min, 切削時(shí)的振動(dòng)頻率與刀具切削頻率相接近, 且振動(dòng)頻率隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而增大。能量峰值是振動(dòng)大小的衡量指標(biāo), 在1 000 r/min時(shí)能量最高, 說明此狀態(tài)下的切削振動(dòng)最大； 當(dāng)轉(zhuǎn)速大于1 400 r/min之后, 隨主軸轉(zhuǎn)速的提高, 能量峰值也呈上升趨勢, 但上升幅度呈逐漸減小的趨勢。根據(jù)式(1)計(jì)算得主軸轉(zhuǎn)速1 000、 1 400、 1 800、 2 200、 2 400 r/min的每齒進(jìn)給量分別為0.050、 0.037、 0.027、 0.023、 0.021 mm。在每齒進(jìn)給量超過0.037 mm, 對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)， 出現(xiàn)非線性變化振動(dòng), 幅度增加較大的現(xiàn)象, 這是由于主軸轉(zhuǎn)速過小, 每齒進(jìn)給量增大, 導(dǎo)致機(jī)床主軸承受的扭矩過大而導(dǎo)致的沖擊效果。

fZ=F/(n×Z),

(1)

其中,fZ為每齒進(jìn)給量；F為進(jìn)給速度；n為主軸轉(zhuǎn)速；Z為刀具齒數(shù), 本實(shí)驗(yàn)所使用的刀具齒數(shù)為4。

3.2 進(jìn)給速度對銑削振動(dòng)能量和頻率的影響

通過研究進(jìn)給速度與銑削振動(dòng)頻率和能量的關(guān)系間接研究進(jìn)給速度對銑削加工表面質(zhì)量的影響。根據(jù)表1中第6～10組的參數(shù)進(jìn)行精加工銑削實(shí)驗(yàn), 該組實(shí)驗(yàn)只改變進(jìn)給速度。對采集到的信號進(jìn)行分析處理, 得到刀具切削頻率、 檢測到的振動(dòng)頻率和能量峰值隨主軸轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同進(jìn)給速度下的能量頻率數(shù)據(jù)對比

根據(jù)式(1)計(jì)算得到主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)精加工第6～10組樣品的每齒進(jìn)給量分別為0.05、 0.037、 0.025、 0.012 5 mm。每齒進(jìn)給量在超過0.037 mm之后振動(dòng)會(huì)發(fā)生非線性的突變, 這可能是由沖擊力突變造成的。隨著進(jìn)給速度的提高, 能量峰值也逐漸提高, 說明振動(dòng)隨著進(jìn)給速度的提高而增加, 進(jìn)給速度越快系統(tǒng)振動(dòng)越大。此外, 當(dāng)進(jìn)給速度大于200 mm/min時(shí), 振動(dòng)能耗變化逐漸變得平緩, 而大于300 mm/min時(shí), 振動(dòng)能耗變化又加劇。

3.3 主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對加工質(zhì)量影響的比較

圖8a—e是相同的進(jìn)給速度(200 mm/min)、 切削深度(0.2 mm)時(shí)不同主軸轉(zhuǎn)速的銑削參數(shù)下加工工件的影像測量圖, 其對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速分別是2 400、 2 200、 1 800、 1 400和1 000 r/min。在相同的長度線(0.360 9 mm)上, 觀察到的刀痕數(shù)量隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而增多, 刀痕的數(shù)量越多說明其表面紋路越細(xì), 工件表面質(zhì)量越好。可見, 由于主軸轉(zhuǎn)速的提高, 使得振動(dòng)頻率增加, 銑削加工工件表面質(zhì)量變好。而主軸轉(zhuǎn)速大于1 800 r/min后, 轉(zhuǎn)速對表面加工質(zhì)量的影響變化不大。

圖8f—j是相同主軸轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、 切削深度0.2 mm時(shí)不同進(jìn)給速度的銑削參數(shù)下加工工件的影像測量圖, 對應(yīng)的進(jìn)給速度分別為400、 300、 200、 100、 50 mm/min。在0.360 9 mm的長度線上, 觀察到的刀痕數(shù)量隨著進(jìn)給速度的提高而減少, 說明銑削加工工件的表面質(zhì)量隨著進(jìn)給速度的增加而下降, 這是由于振動(dòng)頻率不變時(shí), 在相同時(shí)間內(nèi)刀具行進(jìn)的距離越大, 則刀痕的距離越長, 加之能量峰值增加使得刀痕的深度增加, 加工的表面就越粗糙。故為了提高加工表面質(zhì)量和加工效率, 在增加進(jìn)給速度的同時(shí), 應(yīng)適當(dāng)增加振動(dòng)頻率。

圖8 不同主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度加工工件表面質(zhì)量

3.4 銑削深度對銑削振動(dòng)能量和頻率的影響

根據(jù)以上主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對振動(dòng)頻率、 能耗和表面加工質(zhì)量的影響, 以及表面質(zhì)量的變化趨勢, 為了進(jìn)一步分析主軸轉(zhuǎn)速對振動(dòng)頻率和能耗的影響, 考慮進(jìn)給速度為200 mm/min前后, 振動(dòng)能耗的變化趨勢。 選擇主軸轉(zhuǎn)速2 000 r/min, 進(jìn)給速度為200 mm/min， 銑削深度0.10、 0.15、 0.20、 0.25、 0.30 mm。對實(shí)驗(yàn)時(shí)采集到的信號進(jìn)行分析后得到刀具切削頻率、 檢測振動(dòng)頻率和能量峰值隨主軸轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系如圖9所示。

圖9 不同銑削深度下的能量頻率數(shù)據(jù)對比

可看出, 隨著銑削深度的增大, 能量峰值也隨之增大, 而檢測到的振動(dòng)頻率變化不大， 說明銑削深度越大, 銑削振動(dòng)幅度就越大, 銑削加工的表面質(zhì)量就越差, 故在精加工時(shí)為提高表面質(zhì)量應(yīng)適當(dāng)降低銑削深度。

為了探究振動(dòng)頻率和能量對工件表面質(zhì)量的影響, 將加工后的樣品在影像測量儀放大相同倍數(shù)后觀察表面結(jié)構(gòu)形貌。以長度為0.360 9 mm的長度線測量刀痕數(shù)量和刀痕顆粒情況, 所觀察到的結(jié)果如圖10所示, 其中a—e分別對應(yīng)的是切削深度為0.10、 0.15、 0.20、 0.25、 0.30 mm的精加工樣品的表面結(jié)構(gòu)情況。根據(jù)測量結(jié)果發(fā)現(xiàn), 在相同的長度線0.360 9 mm中的刀痕數(shù)都是8條, 說明在相同的進(jìn)給速度下工件表面的刀痕數(shù)都是相同的。通過觀察可以發(fā)現(xiàn), 隨著切削深度的增大, 刀痕深度也逐漸增大, 痕跡紋理越清晰, 表明了銑削深度增大, 銑刀的振動(dòng)幅度增加, 這與以上對振動(dòng)頻率和能量變化的分析結(jié)果一致。

圖10 銑削深度單因素試驗(yàn)工件

4 結(jié) 論

綜合分析了不同的主軸轉(zhuǎn)速、 進(jìn)給速度和切削深度對振動(dòng)能量和頻率的影響, 得到如下結(jié)論:

(1)主軸轉(zhuǎn)速小于1 400 r/min時(shí), 由于刀具每齒進(jìn)給量增大使得振動(dòng)能量峰值增加而振動(dòng)增大,造成切削表面質(zhì)量變差,而當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速的提高,使得振動(dòng)頻率增加, 表面質(zhì)量變好; 主軸轉(zhuǎn)速大于1 800 r/min時(shí), 主軸轉(zhuǎn)速對表面加工質(zhì)量的影響變化不大。

(2)隨著進(jìn)給速度的增加, 由于振動(dòng)頻率不變, 在相同時(shí)間內(nèi)刀具行進(jìn)的距離越大, 則刀痕的距離越長, 加之能量峰值增加使得刀痕的深度增加, 這樣加工的表面就越粗糙。故為了提高加工表面質(zhì)量和加工效率, 在增加進(jìn)給速度的同時(shí), 應(yīng)適當(dāng)增加振動(dòng)頻率。

(3) 銑削深度越大, 銑削振動(dòng)能量越大, 銑削加工的表面質(zhì)量就越差, 故在精加工時(shí)為提高表面質(zhì)量應(yīng)適當(dāng)降低銑削深度。