切削用量對切削振動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)研究

王晨羽，范鵬飛，李金泉

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

在切削加工過程中，影響切削振動(dòng)的因素很多，對切削加工性能以及工件表面質(zhì)量影響最大的是刀具相對于工件的振動(dòng)，機(jī)床其他部位的振動(dòng)也會(huì)體現(xiàn)在刀具的振動(dòng)上，刀具角度、刀具材料、工件材料、切削用量對刀具的振動(dòng)都有很大的影響.關(guān)于切削用量對切削振動(dòng)的影響，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究.吳衛(wèi)國研究了高速切削過程的自激振動(dòng)，探討切削用量對切削穩(wěn)定性的影響并提出了提高切削穩(wěn)定性的方法和途徑[1].Zahia H等通過改變切削參數(shù)，利用刀具振動(dòng)變化對表面粗糙度進(jìn)行了研究[2].周培培等通過正交試驗(yàn)分析切削用量對振動(dòng)的影響，得到了合適的切削用量[3].李威霖采用切削振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測刀具磨損[4].Ning F D等對高溫鎳基合金進(jìn)行了高速銑削試驗(yàn)，在切削速度達(dá)到生成鋸齒形切屑的臨界值時(shí)，切削抗力最小，同時(shí)切削對刀具沖擊的頻率下降，切削力波動(dòng)和切削振動(dòng)也顯著減小，但這種情況存在預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性差、誤報(bào)等缺陷[5].本文通過干式車削材料TC4和TA15實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用單因素實(shí)驗(yàn)法，對振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、降噪和數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)研究切削用量各因素單獨(dú)變化對切削振動(dòng)的影響.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料和刀具

(1)實(shí)驗(yàn)加工材料是TA15和TC4的圓柱形棒料.它們的直徑為100 mm，長度為300 mm.材料成分如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)材料成分 %

注：TA15材料的屈服強(qiáng)度為850 MPa；TC4材料的屈服強(qiáng)度為880 MPa.

(2)實(shí)驗(yàn)采用山特維克公司的PVD涂層刀片，其刀片型號(hào)為CCMT09T308-MF1105，刀桿型號(hào)為SCACR1616H09，刀具前角為0°，后角為7°，刀尖圓弧半徑為0.8 mm，主偏角為95°，刃傾角為0°.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)用加工機(jī)床的型號(hào)為CA6140，床身回轉(zhuǎn)直徑為400 mm，刀架上回轉(zhuǎn)直徑210 mm，主軸中心至床身平面導(dǎo)軌距離為205 mm，刀架可裝夾刀桿厚度小于25 mm的刀具.

采集振動(dòng)數(shù)據(jù)使用北京東方振動(dòng)噪聲研究所開發(fā)的DASP軟件.數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為NI9234，加速度傳感器型號(hào)為DYTRAN(3035B#)，采樣頻率設(shè)置為25 000 Hz，應(yīng)用傳感器類型為ICP(Industry Personal Computer).

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為了獲取切削用量各因素對切削振動(dòng)的影響規(guī)律，本實(shí)驗(yàn)采用單因素實(shí)驗(yàn)法.單因素實(shí)驗(yàn)法的特點(diǎn)在于只改變單一因素而其他因素不變，研究某一因素對指定目標(biāo)的影響規(guī)律.

根據(jù)高速車削加工鈦合金生產(chǎn)實(shí)際，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備確定切削用量范圍，共設(shè)計(jì)了16組切削實(shí)驗(yàn)方案(表2).其中：1～6組為進(jìn)給量(f=0.20 mm/r)和切削深度(ap=0.20 mm)保持不變，而切削速度vc逐漸增大的實(shí)驗(yàn)方案；7～11組為切削速度(vc=98.14 m/min)和切削深度(ap=0.20 mm)不變，進(jìn)給量逐漸增大的實(shí)驗(yàn)方案；12～16組為切削速度(vc=98.14 m/min)和進(jìn)給量(f=0.20 mm/r)不變，切削深度逐漸增大的實(shí)驗(yàn)方案.

表2 單因素實(shí)驗(yàn)方案

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，鈦合金的加工效率和質(zhì)量較差，推薦使用的切削速度為30～50 m/min；切削速度超過60 m/min時(shí)，加工過程變得困難；切削速度達(dá)到100 m/min時(shí)即認(rèn)為已進(jìn)入高速切削范圍.

1.4 切削振動(dòng)信號(hào)的處理

1.4.1 信號(hào)的降噪

考慮到實(shí)際加工時(shí)采集的信號(hào)含有干擾頻率，會(huì)發(fā)生畸變、幅度衰落或者相位偏移，使誤碼率增加，信號(hào)失真，可采用五點(diǎn)三次平滑法[7]對切削振動(dòng)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理.五點(diǎn)三次平滑法公式如下：

式中：i=(3,4…,m-2)；m為循環(huán)次數(shù)；x為被處理數(shù)據(jù)；y為處理結(jié)果.

1.4.2 切削振動(dòng)信號(hào)的均方根值

實(shí)驗(yàn)測得的電信號(hào)存在誤差，分析時(shí)域信號(hào)時(shí)運(yùn)用均方根值法能夠讓誤差變小.均方根值(RMS)也稱為有效值，它的計(jì)算方法是先平方，再平均，然后開方[8].信號(hào)處理前需要確定采樣頻率，因?yàn)闆]有采樣頻率就求不出切削振動(dòng)的均方根值.

本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的采樣頻率為25 000 Hz，每隔1/25 000 s 就會(huì)測得一個(gè)切削振動(dòng)加速度點(diǎn).把整個(gè)時(shí)域上加速度點(diǎn)的值平方并相加，取平均值后再開平方，得到的值就是切削振動(dòng)有效值(表3).

2 結(jié)果與分析

2.1 切削速度對切削振動(dòng)的影響

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，選擇相同的進(jìn)給量和切削深度 (f=0.20 mm/r,ap=0.20 mm)，改變切削速度(vc=30.42 m/min、49.76 m/min、77.40 m/min、98.14 m/min、124.41 m/min、138.23 m/min)，切削TA15和TC4兩種材料.切削振動(dòng)加速度隨切削速度的變化曲線如圖1所示.

表3 切削TC4、TA15材料的切削振動(dòng)有效值

圖1 切削振動(dòng)加速度隨切削速度的變化曲線

由圖1可知，隨著切削速度的上升，材料TA15與TC4的切削振動(dòng)加速度曲線變化總體趨勢均是先上升，到達(dá)一個(gè)峰值后下降，然后又回升.兩種材料在切削速度為30.42～77.40 m/min 時(shí)，切削振動(dòng)加速度有效值隨著切削速度的增加而增加.分析可知，在切削過程中隨著速度的上升，鈦合金的塑性變形增大，金屬變形區(qū)的切應(yīng)力增大，加工硬化程度加大，金屬晶格歪曲嚴(yán)重，合金的硬度加強(qiáng)[9]；同時(shí)，隨著切削速度的增大，刀具與工件的摩擦加劇，這兩方面原因?qū)е碌毒咔邢鲿r(shí)阻力變大，切削振動(dòng)加速度變大.切削速度在77.40～98.14 m/min時(shí)，材料TA15和TC4的軸向和切向切削振動(dòng)加速度均隨著切削速度的增大而逐漸變小.較高的切削速度使材料的熱軟化作用超過了塑性變形，在第一變形區(qū)發(fā)生突變滑移和絕熱剪切，切削區(qū)的應(yīng)變硬化來不及發(fā)生，切屑引起的阻力在臨近高速切削時(shí)隨速度的提高而下降，刀具的振動(dòng)加速度也隨之下降.切削速度在98.14～124.41 m/min 時(shí)，切向的切削振動(dòng)加速度隨切削速度增大而變化的趨勢與軸向略有不同，材料TA15切向振動(dòng)加速度變化趨勢為上升，而其軸向振動(dòng)加速度和TC4的兩種振動(dòng)加速度變化趨勢卻為下降.其原因在于實(shí)驗(yàn)刀具刃傾角與前角的角度為零，切削速度大于98.14 m/min時(shí)，切向的切削振動(dòng)加速度受切屑形態(tài)變化的影響比受切削用量變化的影響大.切削速度超過124.41 m/min 時(shí)，材料TA15和TC4的切向切削振動(dòng)加速度上升，其原因是切削速度過快，導(dǎo)致刀具磨損加劇，刀具磨損后實(shí)際前角變小,進(jìn)給方向的切削振動(dòng)持續(xù)增大，而垂直于進(jìn)給方向的切削力發(fā)生變化進(jìn)而影響切削振動(dòng)，使切削振動(dòng)加速度上升，但軸向切削振動(dòng)受到刀具磨損的影響不大.因此，在切削加工時(shí)，為降低切削振動(dòng)對切削加工的影響，可限制最大切削速度參數(shù)值，使其避免超過某個(gè)臨界值，從而減小切削振動(dòng).

2.2 進(jìn)給量對切削振動(dòng)的影響

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，選擇相同的切削速度和切削深度(vc=98.14 m/min，ap=0.20 mm)，改變進(jìn)給量(f=0.10 mm/r、0.15 mm/r、0.20 mm/r、0.24 mm/r、0.30 mm/r)，切削TA15和TC4兩種材料.切削振動(dòng)加速度隨進(jìn)給量的變化曲線如圖2所示.

由圖2可知，隨著進(jìn)給量增大，材料TA15與TC4的軸向和切向切削振動(dòng)加速度均增大.其原因是進(jìn)給量增大，材料切削層面積增大，切削過程中變形抗力和摩擦力都增大，進(jìn)而導(dǎo)致切削振動(dòng)加速度的增大.當(dāng)進(jìn)給量增加到0.15 mm/r后，隨著進(jìn)給量的繼續(xù)增大，相同進(jìn)給量下的TC4切削振動(dòng)加速度比TA15切削振動(dòng)加速度大.

圖2 切削振動(dòng)加速度隨進(jìn)給量的變化曲線

2.3 切削深度對切削振動(dòng)的影響

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，選擇相同的切削速度和進(jìn)給量(vc=98.14 m/min，f=0.20 mm/r)，改變切削深度(ap=0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm、0.30 mm、0.40 mm)，切削TA15和TC4兩種材料.切削振動(dòng)加速度隨切削深度的變化曲線如圖3所示.

從圖3可知，切削深度為0.15～0.20 mm時(shí)，隨著切削深度的增大，材料TA15和TC4的切削振動(dòng)加速度也增大；當(dāng)切削深度為0.20～0.25 mm時(shí)，隨著切削深度的增大，兩種材料的切削振動(dòng)加速度均變??；當(dāng)切削深度大于0.25 mm后，兩種材料的切削振動(dòng)加速度均隨著切削深度的增大而增大.分析認(rèn)為，增大切削深度會(huì)直接導(dǎo)致切削面積增大，而切削面積對切削振動(dòng)的影響顯著，切削面積越大，則切削振動(dòng)越大.因此，隨切削深度的增大，切削振動(dòng)加速度的總體變化趨勢為上升；切削深度增大時(shí)，材料變形更劇烈，切削振動(dòng)加速度的波動(dòng)更大.

切削振動(dòng)與切削深度有密不可分的關(guān)系，切削過程中發(fā)生振動(dòng)時(shí)，切削振動(dòng)加速度隨著切削深度的增大而愈加激烈.當(dāng)切削深度到達(dá)某個(gè)限度時(shí)，切削振動(dòng)加速度反而減小.因此，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中可通過減小切削深度或者限制最大切削深度來減弱切削振動(dòng).

圖3 切削振動(dòng)加速度隨切削深度的變化曲線

3 結(jié) 論

(1)在切削速度為30.42～77.40 m/min時(shí)，隨著切削速度的上升，材料TA15與TC4的切削振動(dòng)加速度也上升；當(dāng)切削速度增大到77.40 m/min時(shí)，切削振動(dòng)加速度達(dá)到峰值；當(dāng)切削速度超過124.41 m/min時(shí)，兩種材料的切向切削振動(dòng)加速度因刀具磨損而再次增大.

(2)切削振動(dòng)加速度隨著進(jìn)給量的增大而增大.

(3)切削振動(dòng)加速度先隨著切削深度的增大而增大，當(dāng)切削深度達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，切削振動(dòng)加速度開始減??；當(dāng)切削深度大于0.25 mm時(shí)，兩種材料的切削振動(dòng)加速度均隨著切削深度的增大而增大.

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