數(shù)控機床動態(tài)特性優(yōu)化高速加工3A21鋁合金的切削參數(shù)的實驗研究

曹彧

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471099)

高速加工技術是制造業(yè)中一項快速發(fā)展的高新技術，而且有很大應用潛力［1］。傳統(tǒng)定義上的高速加工是指利用較高的刀具轉速進行切削加工。由于高速加工能縮短加工時間，且能提高產(chǎn)品的表面質量［2］，該技術被廣泛應用于航空航天、模具、汽車以及其他領域［3-5］。然而，伴隨切削加工而來的一個嚴重問題就是顫振。

顫振是發(fā)生在切削過程中的一種強烈的自激振動，會嚴重制約切削效率，降低工件加工精度、損壞刀具甚至機床本身。目前，許多學者已經(jīng)對加工過程中的顫振問題進行了廣泛的研究［6-9］。Li 等人使用仿真方法系統(tǒng)地分析了加工系統(tǒng)莫泰參數(shù)對顫振穩(wěn)定域的影響，提出了峰谷比、葉瓣系數(shù)等概念及多模態(tài)系統(tǒng)中莫泰簡化的一般原則［8］。李忠群等人基于經(jīng)典顫振穩(wěn)定域分析方法，提出了直接用加工系數(shù)頻響函數(shù)快速構建穩(wěn)定域葉瓣的方法［9］。本文采用一種實驗方法對高速加工3A21 鋁合金的切削參數(shù)穩(wěn)定域進行了分析，并對所選參數(shù)進行了試切加工驗證。

1 實驗流程

利用“國防科技工業(yè)千臺數(shù)控機床增效工程”提供的數(shù)控機床動態(tài)特性信號采集處理系統(tǒng)、動力學特性測試分析系統(tǒng)，通過刀具與機床整體模態(tài)信號采集、數(shù)據(jù)傳函、模態(tài)分析，將模態(tài)參數(shù)進行仿真、優(yōu)化，并根據(jù)不同加工特征選擇合適的切削參數(shù)進行仿真驗證［10］。應用研究流程圖如圖1 所示。

(1)利用動態(tài)特性測試分析系統(tǒng)對“機床-刀具系統(tǒng)”進行力錘沖擊實驗和模態(tài)分析，并在將模態(tài)分析結果導入顫振穩(wěn)定與仿真系統(tǒng)中進行動力學仿真，得到刀具顫振穩(wěn)定域圖形。

(2)以顫振穩(wěn)定域圖為依據(jù)，選定優(yōu)化的切削參數(shù)進行試切，對顫振穩(wěn)定域所取參數(shù)進行驗證和修正，并記錄試切結果。

(3)對工件的典型情況采用實際加工驗證，進一步驗證參數(shù)優(yōu)化后加工效果和加工效率。

2 應用研究內(nèi)容

2.1 實驗條件

結合實際生產(chǎn)情況，機床選擇HSM500 高速加工中心，該機床主軸最高轉速40 000 r/min;刀具選擇φ12 mm 合金銑刀;加工材料為鋁合金3A21 H112;切寬ae分別為9、6、3、1 mm;銑削方式為順銑。

2.2 搭建實驗硬件系統(tǒng)

用電纜把沖擊力錘、加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集器連接好，再將數(shù)據(jù)采集器與筆記本電腦用USB 連接線連接好，用膠泥將加速度計粘在刀尖上，完成實驗硬件系統(tǒng)搭建。實驗硬件系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

2.3 錘擊實驗

在實驗系統(tǒng)中設置好采樣頻率、分析頻率、敲擊次數(shù)等參數(shù)，把加速度計安裝在機床上的銑刀刀尖上，力錘在刀具的另一側，對刀具進行錘擊實驗得到響應數(shù)據(jù)。敲擊的力和響應的波形如圖3 所示。每次敲擊結束后，要特別注意力和響應時域波形效果的好壞，波形觸發(fā)部分應只有一個瞬態(tài)脈沖信號并伴有短暫衰減，非觸發(fā)部分應為一條橫線，且與0 軸重合。否則，需要重新敲擊。

2.4 傳函分析

根據(jù)錘擊實驗所得數(shù)據(jù)進行傳函分析，得到幅頻圖、相頻圖和相干系數(shù)，如相干系數(shù)在傳函幅頻圖曲線頂點處對應的值大于0.8，則表示得到的傳遞函數(shù)數(shù)值是可信的，否則說明有噪聲干擾，需重新進行錘擊實驗。

2.5 動力學仿真

在進行信號采集結束后，將傳函分析結果分別導入顫振穩(wěn)定域仿真系統(tǒng)中，進行動力學仿真，以確定機床 刀具系統(tǒng)在特定加工環(huán)境下的顫振穩(wěn)定域。設置轉速步長，最大、最小仿真轉速等仿真參數(shù)。當所有參數(shù)設置完畢，開始進行顫振穩(wěn)定域仿真計算，仿真結束后得到仿真結果如圖4 所示。圖中的橫坐標為主軸轉速，縱坐標為臨界軸向切削深度，曲線上方為非穩(wěn)定切削區(qū)域，曲線下方為穩(wěn)定切削區(qū)域。

由此可看出，不同切寬條件下，顫振穩(wěn)定域圖都為波形曲線圖，當主軸轉速取波峰上的值時，切削穩(wěn)定的區(qū)域會增大，這樣可以相應地增大切削深度，以期提高材料去除率。當主軸轉速為某一個值，切削穩(wěn)定的區(qū)域最大，這樣可選擇的切削深度最大，能最大限度地提高材料去除率。同時通過圖4 也可以看出，波形圖曲線在第4 個波峰處均出現(xiàn)形狀不規(guī)則現(xiàn)象，證明在錘擊實驗過程中，由于加速度計本身的重量，對刀具振動情況產(chǎn)生了一定影響。但在本次實驗中，受影響區(qū)域均為切深較大的區(qū)域，對高速加工的切削參數(shù)選擇影響較小，所以本次實驗所取得的結果依然為可靠數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)驗證與結果分析

為了使優(yōu)化所得到的參數(shù)更加切合實際生產(chǎn)，以顫振穩(wěn)定域為基礎進行了實驗驗證。根據(jù)圖4 所示，以刀具切寬9 mm 為例，根據(jù)顫振穩(wěn)定域圖選擇切削參數(shù)并進行驗證。在選擇試切參數(shù)時，注意如下原則:一是在較穩(wěn)定的切削速度區(qū)域選擇3 種切深并對其作比較;二是要在同一切深水平，選擇不同的轉速(包含理論較穩(wěn)定的轉速、臨界穩(wěn)定轉速及顫振轉速)。試切點選擇情況如圖5 所示，試切參數(shù)選擇見表1。

表1 試切參數(shù)選擇表

根據(jù)選取的試切參數(shù)和試切點進行試切，試切情況及機床運行情況見表2。

由表2 的試切情況及機床運行情況得出試切結論:試切結果基本符合顫振穩(wěn)定域曲線:

(1)轉速為12 500 r/min、切深為2.1 mm 時，在非穩(wěn)定區(qū)，發(fā)生嚴重顫振，無穩(wěn)定切削過程—F 點。

(2)轉速為14 500 r/min、切深為2.1 mm 時，趨于顫振臨界值，此切削條件下容易發(fā)生顫振—C 點。

(3)轉速為12 500 r/min、11 000 r/min，切深為1.3 mm 時，為顫振臨界值，發(fā)生輕微顫振，無穩(wěn)定切削過程—D 點、G 點。

(4)轉速為14 500 r/min 和16 500 r/min，切深為1.3 mm 時，在穩(wěn)定區(qū)，切削穩(wěn)定，表面質量好—B、E 點。

表2 試切情況及機床運行情況

(5)在穩(wěn)定區(qū)域選擇的切削參數(shù)切削情況穩(wěn)定，趨近臨界區(qū)，切削質量變差。

(6)由圖4 可見，隨著切寬減小，主軸轉速穩(wěn)定域無明顯變化，穩(wěn)定切深隨之加大，因此，同理可得其他切寬條件下的優(yōu)化參數(shù)值。

根據(jù)顫振穩(wěn)定域圖形選擇切削參數(shù)時，應特別注意切削力、切削速度、切削功率、轉矩等不能超過許用值，同時要注意切削力不能太大，以防止工件變形。

經(jīng)驗切削參數(shù)與實驗所得切削參數(shù)數(shù)據(jù)對比如表3 所示。

表3 經(jīng)驗切削參數(shù)與實驗所得切削參數(shù)數(shù)據(jù)對比

由表3 中的數(shù)據(jù)可以看出，材料去除率提高了(32 760 -18 000)/18 000=45%。

4 結語

通過本次實驗，可以得出以下結論:

(1)切削穩(wěn)定域曲線真實地反映了切削深度、主軸轉速對切削顫振的影響，以不同的刀具、機床、工件工藝特征、切寬、鋁合金等為條件，根據(jù)對顫振穩(wěn)定域的分析和實驗驗證，可以確定在不同條件下的切削參數(shù)，為鋁合金高速加工選擇合理切削參數(shù)提供科學依據(jù)。

(2)通過切削參數(shù)進行優(yōu)化，可以提高單位時間內(nèi)的材料去除率，提高機床的利用率。

(3)錘擊實驗所取得的響應數(shù)據(jù)受到加速度計本身重量的影響，對切削穩(wěn)定域有一定的影響，還需要通過改進方法，如利用激光干涉儀等，尋找測量響應數(shù)據(jù)更好的辦法。

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