數(shù)控車(chē)床切削刀具狀態(tài)在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)方法的研究

胡宇宏,申軼穎

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208）

0 引言

數(shù)控車(chē)床因其切削加工是大功率、大切削用量、高速切削, 刀具材料多為新材料, 工件多為難加工材料等特點(diǎn), 使得加工過(guò)程中的危險(xiǎn)性比普通機(jī)床大得多。而其中因刀具失效而造成的故障停機(jī)率約占數(shù)控車(chē)床總故障率的22.4%[1～4], 所以刀具狀態(tài)（如磨損、破損）的實(shí)時(shí)監(jiān)控便成了重大技術(shù)關(guān)鍵, 至今尚未得到很好解決。如果能解決好這個(gè)問(wèn)題, 就可以避免因人為因素或技術(shù)因素而引起故障停機(jī)的75%[5～8]。本文闡述的就是解決這一問(wèn)題的其中一種方法。

我們知道，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生破損的時(shí)候，它的動(dòng)力特征，如固有頻率等會(huì)發(fā)生改變[9～11]。我們可以將結(jié)構(gòu)損傷前和損傷后的固有頻率差值作為表征結(jié)構(gòu)損傷的敏感參數(shù)。而數(shù)控車(chē)床的刀具一刀架系統(tǒng)就可以視為這種結(jié)構(gòu)。則刀具一刀架系統(tǒng)的固有頻率差值就可以表征刀具一刀架系統(tǒng)的損傷。通常刀具一刀架系統(tǒng)中的刀架一般是不會(huì)破損的，而其中的刀具則會(huì)經(jīng)常發(fā)生破損，所以刀具一刀架系統(tǒng)的破損其實(shí)一般就是刀具的破損。則刀具一刀架系統(tǒng)的固有頻率差值可以作為表征刀具損傷的敏感參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為45 鋼，工件尺寸直徑為75mm 長(zhǎng)115mm，機(jī)床為華中數(shù)控車(chē)床HNC-21T；切削深度ap為0.8～2.5mm；進(jìn)給量f 為0.1～0.26mm/r；主軸轉(zhuǎn)速n 為600r/min。

我們?cè)诘毒咭坏都芟到y(tǒng)中選取11 個(gè)測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。在1 點(diǎn)和3 點(diǎn)分別固定相應(yīng)靈敏度的拾振傳感器,通過(guò)脈沖力錘逐點(diǎn)激振的方法來(lái)獲取車(chē)床刀具一刀架系統(tǒng)的固有頻率。試驗(yàn)裝置如圖2 所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

圖2 試驗(yàn)裝置

采用上面的方法,我們對(duì)刀具一刀架系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。由于刀具一刀架系統(tǒng)振動(dòng)的各階模態(tài)主要為刀具的一、二階振型與刀架振動(dòng)的藕合效應(yīng)，刀架的振動(dòng)幅值在研究范圍內(nèi)是相對(duì)較小的[12]。所以我們?nèi)〉毒咭坏都芟到y(tǒng)的第一階固有頻率為研究對(duì)象。首先安裝一把新車(chē)刀，測(cè)得刀具一刀架系統(tǒng)的第一階固有頻率f1=1503Hz。試驗(yàn)中采用如下方法來(lái)代表車(chē)刀的破損:在車(chē)刀刀尖附近割出一道窄槽。用窄槽的深淺來(lái)表征刀具的破損大小。

當(dāng)割出一道窄槽時(shí)，測(cè)得f1=1465Hz；△f1=1503-1465=38Hz。

當(dāng)窄槽深度加深5%時(shí)，測(cè)得f1=1428Hz；△f1=1503-1428=95Hz。

當(dāng)窄槽深度加深10%時(shí)，測(cè)得f1=1390Hz；△f1=1503-1390=113Hz。從上述試驗(yàn)中可以得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)?shù)毒咂茡p時(shí)，刀具一刀架系統(tǒng)固有頻率的變化明顯。損傷越大，其固有頻率差值越大。其固有頻率差值可以作為表征刀具損傷的敏感參數(shù)。

（2）經(jīng)采用不同的切削用量和切削不同的工件材料進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，結(jié)果也是如此。

2 結(jié)論

（1）車(chē)刀破損前后刀具一刀架系統(tǒng)固有頻率總會(huì)發(fā)生變化, 這種相對(duì)變化與切削用量、工件材料等均無(wú)關(guān)系。

（2）采用刀具一刀架系統(tǒng)固有頻率差值監(jiān)測(cè)車(chē)刀破損,監(jiān)測(cè)方便易于實(shí)現(xiàn)。

（3）該方法需要知道車(chē)刀破損前的刀具一刀架系統(tǒng)固有頻率。

[1]蒙斌. 數(shù)控機(jī)床切削過(guò)程刀具磨損與破損的振動(dòng)監(jiān)測(cè)法[J].機(jī)電工程技術(shù)，2007，10.

[2]姜澄宇. 車(chē)刀破損快速報(bào)警的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 南京航空學(xué)院學(xué)報(bào)，1989，9.

[3]沈小明，等.車(chē)刀破損時(shí)刀桿振動(dòng)信號(hào)特征的研究[J].航空學(xué)報(bào)，1991，8.

[4]呂苗榮，李梅.車(chē)刀振動(dòng)信號(hào)研究及磨損工況的識(shí)別[J].機(jī)床與液壓，2012，1.

[5]孟華，李順才，劉玉慶.車(chē)削過(guò)程中刀具振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試及分析[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，3.

[6]秦旭達(dá)，王國(guó)鋒，冷永剛，王太勇.基于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的車(chē)刀磨損監(jiān)控技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)-CIMS，2003，6.

[7]秦旭達(dá)，王太勇，夏長(zhǎng)亮.基于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的車(chē)削加工過(guò)程監(jiān)控技術(shù)研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2001，3（增刊）.

[8]姜澄宇，張幼楨，徐鴻鈞.車(chē)削刀具切入切出工件時(shí)的振動(dòng)信號(hào)特征及其檢測(cè)技術(shù)[J].南京航空學(xué)院學(xué)報(bào)，1988，2.

[9]Pandey A K, Biswas M. Damage diagnosis of truss structures by estimation of flexibility change[J].Modal Analysis，1995，2.

[10]Pandey A K , Biswas M. Damage detection in structures using changes in flexibility[J]. Journal of Sound and Vibration，1994，1.

[11]Pandey A K. Experimental verrification of flexibility difference method for locating damage in structures[J].Journal of Sound and Vibration，1995，2.

[12]王太勇，張紀(jì)鎖，張策.車(chē)床刀具一刀架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，1991，8.