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        40Cr合金鋼切削過程中切削用量對刀具振動的影響

        2021-07-13 02:52:16李金泉
        關(guān)鍵詞:刀量切削用量切削速度

        趙 強,李金泉

        (沈陽理工大學 機械工程學院,遼寧 沈陽 110159)

        切削過程中的刀具振動是多種因素耦合作用的結(jié)果。其中機床的結(jié)構(gòu)、工件的材料及性能、刀具參數(shù)等是影響刀具振動的主要因素[1]。刀具振動會影響加工表面質(zhì)量[2]。

        切削振動的危害主要有:①工件和刀具之間的相對運動不均勻,摩擦不均衡,導致加工表面的質(zhì)量不好;②降低機床和刀具的使用壽命,嚴重時會導致加工不能正常進行,甚至會出現(xiàn)事故;③產(chǎn)生噪聲污染,危害相關(guān)人員的身體健康,甚至直接造成加工事故;④使加工效率變低,增大加工成本[3]。

        在切削振動研究領(lǐng)域,郭東升等對高硬度鋁合金進行切削,發(fā)現(xiàn)降低切削力可以增大刀具振動幅度和振動頻率[4];姜彬等通過車削試驗發(fā)現(xiàn),沿進給方向的刀具振動對加工表面質(zhì)量的影響較大[5];STURESSON等發(fā)現(xiàn)振動功率取決于切削用量、工件材料的性能和機床系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性,同時發(fā)現(xiàn)刀具振動不是均勻分布的[6];VENKATA 等采用方差和回歸方程等分析方法,對刀具表面粗糙度和工件振動幅值進行研究,發(fā)現(xiàn)工件的振動幅值隨著刀具磨損程度的增加而增大,且鼻半徑是影響工件振動幅值的主要參數(shù)[7];朱楠通過切削TC4和有限元分析發(fā)現(xiàn),刀具在進給方向的振動對加工表面應(yīng)力和表面溫度影響較小[8];范鵬飛等通過切削TA15和TC4發(fā)現(xiàn),在同樣的切削用量下,前者的振動加速度小于后者[9];王晨羽等研究發(fā)現(xiàn),切削振動加速度隨著進給量的增大而增大[10]。

        本文擬對40Cr合金鋼在不同切削用量時的切削振動進行分析,對刀具振動加速度進行傅里葉變換,以便了解不同切削條件下刀具的振動幅度,為實際加工過程切削用量的選擇提供參考。

        1 試驗方案及試驗結(jié)果

        切削試驗選用型號為CCMT09T3 08-MF1105的涂層硬質(zhì)合金刀具。刀具參數(shù)為:前角γ0=0°,后角α0=7°,刃傾角λs=0°,主偏角Kr=90°,圓弧半徑rε=0.8 mm。刀桿型號為SCLCR2525M09。

        試驗用機床為CA6140A型,加工材料為40Cr合金鋼棒材,采用單因素試驗法進行干式切削。工件直徑為100 mm,長度為300 mm。將試樣沿著長度方向分成若干段,進行10次切削試驗。試驗序號為1~10。采用美國生產(chǎn)的DYTRAN加速度傳感器(型號為3035B)進行刀具振動數(shù)據(jù)測量,且振動加速度傳感器是貼在刀尖附近的(圖1)。

        圖1 加速度傳感器在刀尖附近的布置

        采用120 mm位相光柵干涉粗糙度輪廓儀進行加工表面粗糙度的測量。切削用量及試驗結(jié)果如表1所示。

        表1 切削用量及試驗結(jié)果

        由表1可以看出:對應(yīng)于Y方向振動加速度最大值(4.186gm/s2)和Z方向振動加速度最大值(5.469gm/s2),加工表面的粗糙度為1.44 μm;對應(yīng)于進給量最大值(0.24 mm/r),加工表面粗糙度最大,其值為1.87 μm。

        2 切削速度對刀具振動的影響

        在進給量和背吃刀量保持不變時,對表1中試驗號為1、2和3(按切削速度從小到大排序)的振動加速度數(shù)據(jù)進行去空轉(zhuǎn)、平滑處理后,用Matlab軟件進行傅里葉變換,可得圖2所示刀具振動加速度隨切削速度的變化規(guī)律;同時,對該組試驗數(shù)據(jù)用Origin軟件進行傅里葉變換,可得圖3所示刀具振幅隨振動頻率和切削速度的變化規(guī)律。

        圖2 刀具振動加速度隨切削速度的變化規(guī)律

        由圖2可以看出:隨著切削速度的逐漸增大,X方向和Z方向的刀具振動加速度變化不大,而Y方向的刀具振動加速度會逐漸變小。

        圖3 刀具振幅隨振動頻率和切削速度的變化規(guī)律

        由圖3可以看出:在刀具振動頻率為0.96~1.2 MHz時,刀具振幅較大;刀具振幅隨切削速度的增大而增大。

        3 進給量對刀具振動的影響

        在切削速度和背吃刀量保持不變時,對表1中試驗號為5、6、3和7(按進給量從小到大排序)的振動加速度數(shù)據(jù)進行去空轉(zhuǎn)、平滑處理后,用Matlab軟件進行傅里葉變換,可得圖4所示刀具振動加速度隨進給量的變化規(guī)律;同時,對該組試驗數(shù)據(jù)用Origin軟件進行傅里葉變換,可得圖5所示刀具振幅隨振動頻率和進給量的變化規(guī)律。

        圖4 刀具振動加速度隨進給量的變化規(guī)律

        圖5 刀具振幅隨振動頻率和進給量的變化規(guī)律

        由圖4可以看出,隨著進給量的增大,刀具振動加速度也增大,在進給量為0.24 mm/r時,3個方向的振動加速度是最大的。由圖5可以看出:在進給量逐漸增大時,振幅也增大,在進給量為0.24 mm/r時,刀具振幅最大;刀具振動頻率在0.48~0.96 MHz時,刀具振幅較小。

        4 背吃刀量對刀具振動的影響

        在切削速度和進給量不變的情況下,對表1中試驗號為8、9、3和10(按背吃刀量從小到大排序)的振動加速度數(shù)據(jù)進行去空轉(zhuǎn)、平滑處理后,用Matlab軟件進行傅里葉變換,可得圖6所示刀具振動加速度隨背吃刀量的變化規(guī)律;同時,對該組試驗數(shù)據(jù)用Origin軟件進行傅里葉變換,可得圖7所示刀具振幅隨振動頻率和背吃刀量的變化規(guī)律。

        圖6 刀具振動加速度隨背吃刀量的變化規(guī)律

        圖7 刀具振幅隨振動頻率和背吃刀量的變化規(guī)律

        由圖6可以看出:隨著背吃刀量的增大,Y方向和Z方向的刀具振動加速度逐漸增大,在背吃刀量為0.20 mm時達到最大值,爾后減??;而X方向的刀具振動加速度逐漸增大。由圖7可以看出:隨著背吃刀量的增加,刀具振幅先增大,后減??;在刀具振動頻率為0.96~1.2 MHz時,刀具的振幅最大。

        5 結(jié) 論

        (1) 切削速度、進給量和背吃刀量對刀具在Y方向的振動加速度影響較大。

        (2) 刀具振動頻率在0.48~0.96 MHz時,刀具振幅較小,加工表面的完整性較好。

        (3) 進給量對加工表面粗糙度的影響較大,在進給量為0.24 mm/r時,表面粗糙度最大,達1.87 μm。

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