S形試件切削過程動(dòng)態(tài)檢測及其關(guān)鍵技術(shù)

仇 健

沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司高檔數(shù)控機(jī)床國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽，110142

0 引言

S形試件及其測試方法［1］是成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司針對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床精度測試而發(fā)明的，已獲得中美兩國發(fā)明專利。開展S形試件的研究有助于理解和掌握飛機(jī)大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件的多軸聯(lián)動(dòng)高速切削加工工藝及其關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)現(xiàn)機(jī)床的技術(shù)問題，從而提升國產(chǎn)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的制造水平。

S形試件的主體是一個(gè)呈S形走向的扭曲曲面形成的等厚度緣條，緣條與坐標(biāo)平面的夾角連續(xù)變化，曲面形狀復(fù)雜。S形試件具有薄壁特征，它來源于典型航空結(jié)構(gòu)，其加工狀況還能反映機(jī)床的剛性、振動(dòng)等特性。

1 三類試件的對(duì)比分析

對(duì)比分析美國航天局 NAS 979試件［2］、四角錐臺(tái)試件［3］以及S形試件［1］在銑削加工過程中對(duì)誤差的映射性能，從檢測零件的設(shè)計(jì)依據(jù)、使用范圍、所反映出的機(jī)床綜合性能［4］以及零件的加工準(zhǔn)備和檢測要求等方面綜合比較三種試件的性能特點(diǎn)，三類試件的對(duì)比分析見表1，可見S形試件更能真實(shí)地反映五軸數(shù)控機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能和擺角精度，可有效彌補(bǔ)NAS圓錐臺(tái)和日本四角錐臺(tái)的缺點(diǎn)，但不可否認(rèn)的是，S形試件誕生時(shí)間較短，在零件的檢測以及檢測結(jié)果與反映機(jī)床問題的量化指標(biāo)的對(duì)應(yīng)等方面還有很多工作要做。

2 三維建模及型面特征

利用高度Z＝0和Z＝40mm的各50個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)建立S形試件的兩條導(dǎo)線，以上下兩條導(dǎo)線相連形成的線段為母線進(jìn)行掃掠形成直紋面，并做厚度為3mm的實(shí)體而形成S形試件輪廓型面，如圖1所示。S形試件由一個(gè)呈S形狀的直紋面等厚緣條和一個(gè)矩形基座組合而成。

表1 三類檢測試件對(duì)比表

圖1 S形試件組成特征

將理想S形試件的上下兩樣條曲線向Z＝0的平面投影得到圖2，可見，S形試件上下兩條導(dǎo)線并不重合，而是在S形試件的中心位置交叉形成換向，從而使得刀具在加工該零件時(shí)由一段外輪廓加工經(jīng)過中心位置而進(jìn)入內(nèi)輪廓加工，刀具在中心點(diǎn)必須由回轉(zhuǎn)軸換向而實(shí)現(xiàn)開閉角轉(zhuǎn)換，這在一定程度上可反映五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工動(dòng)態(tài)綜合精度。零件型面表面呈不規(guī)則S形，輪廓曲率在零件各位置均不相同，且無規(guī)律可循，這使得該零件的加工能夠反映機(jī)床的隨機(jī)誤差，更能體現(xiàn)五軸加工的精度要求。綜上，S形試件不僅包含NAS 979試件的幾何特征，還具備更多的曲面特性，因此其加工精度能更完整地體現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的加工精度。

圖2 S形試件上樣條曲率分析

3 S形試件受力仿真和變形分析

由于S形試件曲率和加工換向復(fù)雜，應(yīng)用試驗(yàn)方法獲得的切削力信號(hào)很難按照軸向或零件矢量方向精確分解，故采用一種結(jié)合有限元和理論分析的理想狀態(tài)進(jìn)行受力分析。首先，將S形試件三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這里采用殼單元類型以及映射網(wǎng)格劃分方法來劃分網(wǎng)格。然后，設(shè)定模擬的邊界條件。由于實(shí)際加工中零件底面與機(jī)床工作臺(tái)貼合，由壓板緊密壓緊，并用螺栓實(shí)現(xiàn)軸向定位，故將壓板和工作臺(tái)視為剛性體，仿真時(shí)將零件底面和兩個(gè)垂直側(cè)面設(shè)為固定約束。零件為航空鋁合金7075－T7451，材料屬性如下：彈性模量72GPa，硬度 HB 160，密度2.8×103kg/m3，泊松比0.3。

將試驗(yàn)中機(jī)床擺頭處于標(biāo)準(zhǔn)軸向位置時(shí)測力儀獲得的切削力三分量作為理想切削力條件，并加載于零件敏感位置。將三個(gè)軸向力分別為FX＝300N，F(xiàn)Y＝150N，F(xiàn)Z＝50N的切削力合力分別加載到沿S形試件導(dǎo)線距離切入端20mm、試件中心、距離切出端20mm，且在垂直方向沿母線距離上表面5mm的位置，經(jīng)計(jì)算獲得加工變形如圖3所示?？梢娏慵跇?biāo)準(zhǔn)切削力作用下的變形主要表現(xiàn)為法向變形，并且切入端和切出端的變形幅度相當(dāng)，方向相反，而中心位置由于零件局部剛度略高于導(dǎo)線兩端，變形相對(duì)較小。這說明在S形試件加工中曲面法向上產(chǎn)生的變形對(duì)零件的最終加工精度有直接影響，而切向力對(duì)工件變形的影響相對(duì)較小，可忽略不計(jì)。同理可計(jì)算得到S形試件各位置的變形。

圖3 S形試件受力分析

得到零件的受力變形后，結(jié)合所施加的力載荷大小，可獲得零件在機(jī)床加工中的法向剛度。將法向變形和法向剛度在S形試件曲面的法向方向上以直線長短表示其大小，即可直觀地看出加工中S形試件的法向變形和法向剛度沿曲面的變化規(guī)律［5－6］。結(jié)合銑削S形試件的數(shù)控加工程序，得到數(shù)控銑床的總體剛度特性隨刀具姿態(tài)改變的變化規(guī)律，如圖4a所示［6－8］。其中，S形試件法向線段長度表示機(jī)床總剛度在S形試件不同位置的大小。比較切削時(shí)獲得的振動(dòng)信號(hào)（圖4b）可發(fā)現(xiàn)，在剛度突變的位置，振動(dòng)明顯加強(qiáng)，說明機(jī)床系統(tǒng)剛度對(duì)加工狀態(tài)有顯著影響，刀具在切削掃掠到突變區(qū)域時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大幅變形，從而引起振動(dòng)，伴隨產(chǎn)生刀具的切不足和過切現(xiàn)象，最終影響零件的加工精度和加工表面質(zhì)量。

圖4 機(jī)床總體剛度特性及對(duì)應(yīng)的加工過程

由單自由度振動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)可知，剛度k越小，振動(dòng)幅值越大。因此，在銑削S形試件過程中，隨著機(jī)床－S形試件系統(tǒng)剛度的變化，刀具和S形試件都將隨著加工位置變化產(chǎn)生不同幅值的振動(dòng)，即刀具沿S形試件加工表面的切削量會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)，進(jìn)而形成較差的表面質(zhì)量。由圖4可見，刀具在經(jīng)過圖中①、②、③、④4個(gè)位置時(shí)，會(huì)因S形試件剛度發(fā)生突變而導(dǎo)致刀具的切削受力變形加大，進(jìn)而振動(dòng)加劇，切削狀態(tài)波動(dòng)較大，從而導(dǎo)致加工表面質(zhì)量惡化。

4 零件加工過程狀態(tài)分析

主軸安裝三方向加速度傳感器用于測量刀具切削工件時(shí)傳遞給刀具和主軸的方向振動(dòng)量，由于刀具空間位置時(shí)刻在變化（圖5），所以此處傳感器更能反映出刀具在不同位姿［9］狀態(tài)下的法向、切向和軸向振動(dòng)狀況。

圖5 加工路徑示意圖

圖6所示為粗加工S形試件一層兩側(cè)面時(shí)主軸－刀具的振動(dòng)信號(hào)，此時(shí)追求更高的材料去除率，實(shí)際上是三軸加工，切削過程中記錄的主軸X、Y、Z向和S形試件X、Y、Z向信號(hào)方向一致。

圖6 粗加工時(shí)主軸和S形試件單層雙側(cè)振動(dòng)信號(hào)

上述測試的目的是衡量機(jī)床粗加工S形試件的效率，即機(jī)床的加工精度和效率是機(jī)床設(shè)計(jì)追求的兩大目標(biāo)。機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度直接影響零部件的加工精度，而結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性決定機(jī)床的生產(chǎn)效率，本測試在機(jī)床定型試制后，通過對(duì)粗加工時(shí)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行提取，來衡量機(jī)床承受給定切削用量下的加工狀態(tài)，可間接評(píng)價(jià)機(jī)床的生產(chǎn)能力。并且測試信號(hào)沒有發(fā)生急劇的振蕩，說明機(jī)床在粗加工時(shí)不發(fā)生切削振顫。而顫振屬于機(jī)床的自激振動(dòng)，是在一定的條件下產(chǎn)生的，與機(jī)床結(jié)構(gòu)及切削條件有關(guān)，此處切削狀況良好，說明機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異，還存在很大的提高生產(chǎn)效率的潛力。

對(duì)于精加工，將三方向加速度傳感器分別安裝在主軸端面和工件基座上，主軸傳感器的坐標(biāo)方向能夠在加工過程中始終與主軸坐標(biāo)一致，而工件傳感器坐標(biāo)方向始終與機(jī)床坐標(biāo)方向一致。切削一層單側(cè)獲得的主軸和S形試件振動(dòng)信號(hào)及其頻譜分別如圖7和圖8所示。可見，S形試件在不同位置處的材料去除量、切削負(fù)荷及沖擊不同，并且零件不同位置的結(jié)構(gòu)剛度存在差別，因此，加工后的零件精度、表面質(zhì)量有明顯差異。

圖7 精加工主軸振動(dòng)加速度及其頻譜

對(duì)主軸和S形試件振動(dòng)信號(hào)頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，形成頻率分布表，兩齒銑刀在機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速24 000r/min以下的主要頻率列于表2中。

主軸的頻率峰值主要有50Hz、100Hz、200Hz、300Hz、250Hz，工件的頻率峰值主要有450Hz、525Hz、600Hz、675Hz。可見300Hz和600Hz在S形試件和主軸兩個(gè)傳感器上都是主要頻率，因此，這兩個(gè)頻率是由切削時(shí)刀具和工件接觸所激發(fā)的切削頻率，與切削參數(shù)主軸轉(zhuǎn)速9000r/min和4500r/min成1倍頻和1/2倍頻，在選擇切削參數(shù)時(shí)應(yīng)盡可能避開與9000r/min成倍數(shù)的轉(zhuǎn)速。另外，當(dāng)主軸低于9000r/min時(shí)，還可能激發(fā)出主軸的頻率，引起主軸系統(tǒng)振動(dòng)，而工件的頻率相對(duì)較高，一般空轉(zhuǎn)時(shí)很難激發(fā)。為了更直觀地了解切削S形試件時(shí)的時(shí)域和頻域特性，以及時(shí)頻特性間的聯(lián)系，經(jīng)MATLAB軟件計(jì)算得到時(shí)頻域分析，如圖9所示。

圖8 精加工S形試件振動(dòng)加速度及其頻譜

表2 頻率分布表

最終加工后獲得的S形試件如圖10所示。加工后，在現(xiàn)場不借助精密檢測儀器的條件下，利用視覺觀察和觸覺等方法可大致衡量出加工的質(zhì)量，初步判斷加工質(zhì)量較高。圖11所示為測量平面距底座平面高度h分別為10mm、22.5mm、35mm時(shí)加工后零件三個(gè)軸向25個(gè)測試點(diǎn)的檢測精度，可見各點(diǎn)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖9 S形試件單側(cè)面的時(shí)頻域分析

圖10 加工后的S形試件

圖11 加工后零件檢測精度

5 結(jié)論

（1）系統(tǒng)分析了國內(nèi)外現(xiàn)行的五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床檢測試件的優(yōu)缺點(diǎn)，以及S形試件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。S形試件更能反映多軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)態(tài)性能、加工精度、加工狀況以及機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛性和振動(dòng)特性。

（2）零件的結(jié)構(gòu)剛度在單側(cè)加工時(shí)主要有4個(gè)突越區(qū)域，在突越區(qū)附近剛度的大幅變化是直接導(dǎo)致切削變形、振動(dòng)和精度喪失的主要原因。

（3）零件粗加工階段的切削狀態(tài)平穩(wěn)，可間接說明所使用機(jī)床的生產(chǎn)能力較強(qiáng)。零件在精加工階段進(jìn)行的切削過程中表現(xiàn)出了多個(gè)明顯的頻率分布，頻率為300Hz和600Hz時(shí)刀具切削工件激發(fā)出切削振動(dòng)。

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