基于LabVIEW、MATLAB的中空結(jié)構(gòu)鋁合金高速銑削噪聲試驗(yàn)設(shè)計

劉慶峰，楊發(fā)展，張玉騰

(青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266000)

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基于LabVIEW、MATLAB的中空結(jié)構(gòu)鋁合金高速銑削噪聲試驗(yàn)設(shè)計

劉慶峰，楊發(fā)展，張玉騰

(青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266000)

針對立銑刀高速加工中空結(jié)構(gòu)鋁合金的噪聲振動問題，通過設(shè)計正交試驗(yàn)和利用不同類型刀具對工件進(jìn)行高速銑削試驗(yàn)研究。以NI-PXI-1045為平臺，通過LabVIEW軟件編程采集加工噪聲和振動加速度信號。利用LabVIEW和MATLAB軟件的混合編程，對噪聲振動信號進(jìn)行時域和頻域分析。研究表明，該試驗(yàn)設(shè)計可以實(shí)時、準(zhǔn)確的采集到噪聲振動信號，能夠?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，信號準(zhǔn)確且易于存儲，為噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析提供方便。

中空結(jié)構(gòu)鋁合金；高速銑削；噪聲試驗(yàn)

0 引言

鋁合金具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性強(qiáng)和便于加工與維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用在航空器材、動車車廂、汽車零部件等領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化的重要替代材料。中空結(jié)構(gòu)鋁合金由于具有突出的造型特征、強(qiáng)度高、重量輕、力學(xué)性能穩(wěn)定、隔音效果好等突出優(yōu)勢，越來越多的被應(yīng)用在新型結(jié)構(gòu)和新型裝備中[2]。高速加工技術(shù)在高速動車大型鋁型材加工上得到成功的實(shí)施和應(yīng)用，促進(jìn)了高速加工技術(shù)的發(fā)展，大大提高我國高速動車組的加工質(zhì)量和加工效率，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[3]。然而，中空鋁合金材料具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁薄、剛度差特點(diǎn)，在高速加工過程中容易出現(xiàn)振動劇烈、噪聲大等問題，影響操作人員的身心健康。

LabVIEW作為一種圖形化的編程語言開發(fā)環(huán)境，可作為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件來使用[4]。以中空結(jié)構(gòu)鋁合金為研究對象，通過設(shè)計高速銑削正交試驗(yàn)，利用LabVIEW軟件和虛擬儀器采集加工過程中的噪聲振動信號，并利用LabVIEW和MATLAB混合編程對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得不同類型銑刀、銑削加工工藝參數(shù)對噪聲振動的影響規(guī)律及噪聲產(chǎn)生機(jī)理，為后續(xù)選定最佳刀具類型、銑削加工工藝參數(shù)及噪聲抑制方法提供方便。

1 中空結(jié)構(gòu)鋁合金高速銑削噪聲振動試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及刀具

為使研究與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，本試驗(yàn)采用與動車制造所用材料相同，材料型號為6N01，其截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中空結(jié)構(gòu)鋁合金

圖中上下截面厚度為2.8mm,中間傾斜部分薄壁截面厚度為1.6mm。

6N01鋁合金材料的力學(xué)性能如表1所示。

表1 6N01鋁合金材料的力學(xué)性能參數(shù)

為了研究刀具結(jié)構(gòu)與刀具材料對中空結(jié)構(gòu)鋁合金高速加工噪聲的影響，選擇高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具(杭州奧特爾非標(biāo)數(shù)控刀具公司生產(chǎn))，刀具詳細(xì)情況如表2所示。

表2 銑刀規(guī)格

1.2 試驗(yàn)信號采集程序設(shè)計

根據(jù)試驗(yàn)需要，利用四個振動加速度傳感器分布在不同位置實(shí)現(xiàn)對振動信號的采集，利用兩個噪聲傳感器實(shí)現(xiàn)對噪聲的采集，數(shù)據(jù)采集程序如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序

1.3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在VMC850B立式加工中心上進(jìn)行，最大功率為11kW，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)8000r/min，因此滿足對高速加工的要求。以NI-PXI-1045為平臺，使用PXI-4496采集卡，將噪聲和振動傳感器粘貼在加工區(qū)附近，通過LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)振動加速度、噪聲信號采集。

1.4 試驗(yàn)方案

加工工藝參數(shù)主要包括主軸轉(zhuǎn)速n，進(jìn)給量vf，徑向切寬ae。由于板材高50mm，設(shè)定軸向切深為35mm，以n,vf,ae作為三個因素，同時，選擇因素n為4水平，vf為4水平，ae為4水平[5]。本次試驗(yàn)是三因素四水平正交設(shè)計，正交試驗(yàn)表如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)方案及部分試驗(yàn)結(jié)果

1.5 銑削實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用自由振動法測量系統(tǒng)的固有頻率，利用敲擊法對加工系統(tǒng)施加一個初始擾動，將系統(tǒng)的振動波激勵出來使其產(chǎn)生一個自由振動，同時用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄其波形，從而獲得系統(tǒng)的固有頻率。基于奈奎斯特采集定理，設(shè)定采樣率為1024Hz，2s作為一個采樣周期，采樣數(shù)為2048。

按照以上的試驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)采集方式依次選用不同類型刀具、不同銑削參數(shù)組合進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)并保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。設(shè)定采樣率為1024Hz，3s作為一個采樣周期，采樣數(shù)為3072。

2 數(shù)據(jù)分析處理

2.1 銑削系統(tǒng)固有頻率提取

對利用敲擊法獲得的時域波形圖進(jìn)行FFT變換轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域圖和信號功率譜圖，利用LabVIEW和MATLAB混合編程的程序(圖3)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，獲得系統(tǒng)的固有頻率。

圖3 時域波形轉(zhuǎn)為頻域波形程序

其處理結(jié)果如圖4所示。

由頻譜圖像和信號功率譜圖像可知振動信號中所占比例較大的頻率位于30～60Hz之間，比例最大的為41Hz，故試驗(yàn)系統(tǒng)固有頻率維持在為41Hz左右。

圖4 處理后結(jié)果圖像

2.2 信號預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行加速度噪聲信號采集過程中將環(huán)境中各種振動、噪聲干擾也提取出來了。因此在提取信號數(shù)據(jù)特征值之前要對信號進(jìn)行預(yù)處理(包括濾波處理及零均值處理)，預(yù)處理程序如圖5所示。

圖5 預(yù)處理程序

2.3 時域特征值和聲壓級提取

時域特征值和聲壓級提取程序如圖6所示。

(a) 時域特征值提取程序

(b) 聲壓級獲取程序

所提取的時域特征值主要包括方差、算數(shù)平均、正峰、反峰和均方根。方差能夠反映振動信號偏離期望值的大小，不同的銑削參數(shù)組合，振動和噪聲信號的波動情況也不同，方差可以反映出其波動程度，方差越大，波動程度越大，振動就越劇烈，導(dǎo)致高強(qiáng)噪聲。算數(shù)平均能夠反映信號的靜態(tài)分量，可以作為整個銑削過程中信號變化的特征值。均方根能夠穩(wěn)定地表述信號的能量特性，反映振動系統(tǒng)的功率。

以刀柄直徑為25mm，螺旋角為45°的硬質(zhì)合金刀具得到聲壓級和均方根為例進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表3)。對均方根數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，得到各因素對均方根影響主次順序?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速>進(jìn)給量>徑向切寬。對聲壓級數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，可以建立銑削參數(shù)對聲壓級的影響關(guān)系，如圖7所示。

(a) 主軸轉(zhuǎn)速對聲壓級影響

(b) 進(jìn)給量對聲壓級影響

(c) 徑向切寬對聲壓級影響

由圖7可以分析各銑削工藝參數(shù)對聲壓級的影響程度以及變化趨勢。從圖7a和圖7c中可以看出：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著主軸轉(zhuǎn)速和徑向切寬的增加，聲壓級都呈現(xiàn)先增長后減小趨勢；而從圖7b中可以看出：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著進(jìn)給量的增加，聲壓級呈現(xiàn)減小趨勢。綜合來看，在實(shí)際銑削加工過程中，可以選擇較大的進(jìn)給量，選擇合適的主軸轉(zhuǎn)速和徑向切寬，這樣可以有效降低銑削過程中產(chǎn)生的噪聲。在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，刀柄直徑25mm，螺旋角為45°的硬質(zhì)合金刀具選擇的最佳銑削工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速5500r/min，徑向切寬11mm，進(jìn)給量1000mm/min。

利用所得到的時域特征以及聲壓級可以對實(shí)現(xiàn)銑削加工工藝參數(shù)以及刀具類型的最佳選擇，從而應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程中以減少加工過程中噪聲振動的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4 頻域特征值提取

將采集到的噪聲信號時域波形轉(zhuǎn)化為頻域波形的程序(見圖3將MATLAB Script中N的取值改為3072)，轉(zhuǎn)化如圖8所示。

(a) n=5500r/min

(b) n=6500r/min

圖8a表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到5500r/min時，對噪聲幅值貢獻(xiàn)最大的頻率值為233Hz(理論值為183Hz)。圖8b表明，轉(zhuǎn)速為6500r/min時，對噪聲幅值貢獻(xiàn)最大的頻率值為325Hz(理論值為217Hz)，其幅值也相應(yīng)變大。所產(chǎn)生噪聲的頻率比銑刀產(chǎn)生的振動頻率比理論值要高，由于中空結(jié)構(gòu)鋁合金的特殊結(jié)構(gòu)，使得銑刀與工件之間容易產(chǎn)生顫振，從而產(chǎn)生了由低頻向高頻轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象[6,7]。從以上數(shù)據(jù)可以看出，本試驗(yàn)所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集、分析、處理系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性和合理性。

通過圖8可以看出，銑削過程中的噪聲以顫振引發(fā)的中高頻為主，尤其是以頻率為200Hz～400Hz的中頻頻率段最為明顯，對于動態(tài)銑削振動，其能量主要集中200Hz～400Hz頻率段。因此，控制和降低顫振的發(fā)生是控制噪聲的最有效方式。

3 結(jié)束語

本試驗(yàn)針對銑刀高速加工中空結(jié)構(gòu)鋁合金過程中的噪聲振動問題，通過設(shè)計正交實(shí)驗(yàn)和不同類型刀具的高速銑削實(shí)驗(yàn)，利用振動、噪聲傳感器，通過LabVIEW圖形化編程軟件實(shí)現(xiàn)對信號的采集，并利用LabVIEW和MATLAB混合編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理、時域分析以及頻域分析獲得以下結(jié)論。

① 本試驗(yàn)設(shè)計可以通過對敲擊法獲得的時域波形圖轉(zhuǎn)換為頻域圖，利用LabVIEW和MATLAB混合編程的程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得加工系統(tǒng)的固有頻率為41Hz左右。

② 本試驗(yàn)設(shè)計可以利用時域分析所得到的時域特征及聲壓級實(shí)現(xiàn)對中空結(jié)構(gòu)鋁合金銑削加工工藝參數(shù)及刀具類型最佳選擇。

③ 本試驗(yàn)設(shè)計可以利用頻域分析可得知中空結(jié)構(gòu)鋁合金加工過程中的噪聲主要是由于刀具與工件發(fā)生的顫振引起，控制和降低顫振的發(fā)生是控制噪聲的最有效方式。

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(編輯 李秀敏)

Research on Noise Experimental Setting in High-speed Milling Hollow Structural Aluminum Alloy Based on LabVIEW and MATLAB

LIU Qing-feng, YANG Fa-zhan, ZHANG Yu-teng

(Mechanical Engineering Department, Qingdao university of Technology, Qingdao Shandong 266000, China)

For the noise and vibration Problem of cutter in high-speed milling hollow structural aluminum alloy, based on high-speed end milling orthogonal experiments and high-speed milling experiments with different cutter, the signal of noise and vibration acceleration would be collected by NI-PXI-1045 through the software programming of LabVIEW. Mixed programs were written by LabVIEW and MATLAB software which conducts, time domain and frequency domain analysis. The experiment shows that: the experimental setting can not only capture real-time, accurate noise and vibration signal, but also make the test data processing fast, accurate and easy to store, so that it provides a convenient way for the analysis of the noise generation mechanism.

hollow structure aluminum alloy; high-speed milling; noise experiment

1001-2265(2016)11-0031-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.009

2015-12-19

2016-01-21

國家自然基金(51205219)；山東省高等學(xué)?？萍加媱澷Y助項(xiàng)目(J12LB09)

劉慶峰(1990—)，男，山東臨沂人，青島理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)，(E-mail)15563979951@163.com。

TH145;TG54

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