刀具振動(dòng)與加工表面形貌分布特性的關(guān)聯(lián)分析

姜彬 張芳 李哲

摘 要：為探究大螺距螺紋車削加工中刀具振動(dòng)對加工表面形貌沿工件軸向分布特性的影響，進(jìn)行螺距16mm外螺紋的車削實(shí)驗(yàn)，獲取刀具振動(dòng)時(shí)域特征參數(shù)和加工表面形貌特征參數(shù)沿工件軸向分布的行為序列;采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，研究刀具左刃、右刃切削大螺距螺紋時(shí)，沿切深方向、切削速度方向和軸向進(jìn)給方向上刀具振動(dòng)對螺紋面加工表面形貌分布特性的影響;對比兩次不同切削方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，刃口半徑、后角和切削次序等參數(shù)直接影響刀具振動(dòng)與加工表面形貌分布特性之間的關(guān)系，調(diào)整上述工藝參數(shù)可改變刀具振動(dòng)對加工表面形貌的影響特性。

關(guān)鍵詞：大螺距螺紋;振動(dòng);加工表面形貌;灰色關(guān)聯(lián)分析

DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.002

中圖分類號： TG712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）02-0006-08

Abstract：In order to study the influence of tool vibration on the distribution characteristics of processing surface topography along spindle direction in turning largepitch thread， the experiment of turning external thread with pitch 16mm was conducted to obtain behavior sequences of characteristic parameters of tool time domain vibration and processing surface topography along spindle direction. The gray relational analysis method was used to study the influence of tool vibration along cutting depth direction， cutting speed direction and axial feed direction on the distribution characteristics of processing surface topography of thread surfaces in turning large pitch thread with the tool left and right edges. Comparing two experimental results with different cutting schemes， it can be concluded that the relationship between vibration and distribution characteristics of processing surface topography are directly influenced by radius of cutting edges， relief angle， cutting order and so on. Thus， the influence of vibration on processing surface topography can be improved through adjusting the above process parameters.

Keywords：largepitch thread; vibration; processing surface topography; gray relational analysis

收稿日期： 2017-03-31

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金（51375124）;黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（GC13A404）.

作者簡介：

張 芳（1992—），女，碩士研究生;

李 哲（1972—），男，博士，研究員.

通信作者：

姜 彬（1967—），男，博士，教授，Email：13903611465@163.com.

0 引 言

大螺距螺桿作為壓力機(jī)的關(guān)鍵零部件對其加工表面形貌提出了較高要求。大螺距螺桿車削加工中的振動(dòng)改變了刀具與工件的接觸關(guān)系和切削狀態(tài)，使得工件的加工表面形貌波動(dòng)起伏，產(chǎn)生明顯的振紋，嚴(yán)重影響工件的耐磨性、密封性和使用壽命等工作性能[1-2]。因此，有必要研究振動(dòng)對加工表面形貌的影響。

大螺距螺紋車削加工中，受刀具切入、切出時(shí)的沖擊載荷及工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，刀具的振動(dòng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，使得加工表面形貌沿工件軸向的分布頻繁變動(dòng)。已有的關(guān)于振動(dòng)對加工表面形貌影響的研究主要基于以下三方面，一是通過理論分析建立振動(dòng)與加工表面形貌的數(shù)學(xué)模型，但主要是建立振動(dòng)振幅與加工表面粗糙度之間的數(shù)學(xué)模型[3-6];二是采用仿真分析方法，研究振動(dòng)振幅、頻率、相鄰切削軌跡之間相位差對加工表面形貌的影響[7-10];三是采用切削實(shí)驗(yàn)方法研究振動(dòng)振幅、頻率對加工表面形貌的影響[11-13]。已有研究在一定程度上揭示了振動(dòng)特征參數(shù)對加工表面形貌特征參數(shù)的影響[14-15]，但沒有完整揭示切削過程中振動(dòng)特性的不斷變化對加工表面形貌分布特性的影響，振動(dòng)特性與加工表面形貌分布特性之間的關(guān)系存在不確定性和模糊性，有待進(jìn)一步研究。

大螺距螺紋車削加工中，左右螺紋面加工表面形貌特征參數(shù)與刀具振動(dòng)特征參數(shù)沿軸向變化曲線的相關(guān)性，是揭示刀具振動(dòng)對螺紋加工表面形貌影響的關(guān)鍵?；疑P(guān)聯(lián)分析方法根據(jù)因素序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷因素之間的緊密度，為研究刀具振動(dòng)和螺紋加工表面形貌動(dòng)態(tài)行為之間的關(guān)系提供了解決方法[16]。目前，灰色關(guān)聯(lián)度的算法模型很多，如鄧氏關(guān)聯(lián)度、廣義灰色關(guān)聯(lián)度、T型關(guān)聯(lián)度和斜率關(guān)聯(lián)度等[17-18]。上述模型沒有考慮序列之間存在的正負(fù)相關(guān)性問題，容易導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果失真[19]。針對上述問題，已有研究提出了改進(jìn)型關(guān)聯(lián)度算法模型，利用各段斜率比值的算術(shù)平均值的符號來反映兩條曲線的正負(fù)相關(guān)性，為反映序列之間的正負(fù)相關(guān)性提供了合理的方法[20]。

為此，本文通過大螺距螺紋車削實(shí)驗(yàn)，獲得刀具左右刃振動(dòng)時(shí)域信號特征參數(shù)和左右螺紋面加工表面形貌特征參數(shù)沿工件軸向分布的行為序列，采用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析方法，研究切深方向、切削速度方向和沿軸向進(jìn)給方向的刀具振動(dòng)平均能量、信號的沖擊程度這兩者的變動(dòng)特性對左右螺紋面加工表面粗糙度和加工表面不平度沿軸向分布特性的影響，揭示刀具振動(dòng)特性對工件加工表面形貌分布特性的影響特性，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 車削大螺距螺紋實(shí)驗(yàn)

1.1 車削大螺距螺紋實(shí)驗(yàn)條件

定義靠近試件裝夾端的螺紋面為左螺紋面，則另一面為右螺紋面;定義切削左螺紋面的刀具切削刃為右切削刃，簡稱右刃，切削右螺紋面的刀具切削刃為左切削刃，簡稱左刃。

實(shí)驗(yàn)所用機(jī)床為CAX6140，刀具為可換刀頭彈簧式車刀，材料為高速鋼（W18Cr4V）;工件為右旋梯形外螺紋，材料為45#鋼，頭數(shù)1，螺紋長度為190mm，大徑為148mm，小徑為132mm，中徑為140mm，螺距為16mm，牙型半角為15°，螺紋槽寬為5.23mm。

車削過程中采用DH5922動(dòng)態(tài)信號測試分析系統(tǒng)對由傳感器測得的刀具左右刃振動(dòng)信號進(jìn)行測試，采樣頻率為5kHz。定義試件裝夾一端為軸向末端，另一端為軸向始端，采用線切割機(jī)床沿軸向始端向末端對加工完成的試件進(jìn)行樣塊提取，提取的樣塊數(shù)為9。

1.2 刀具振動(dòng)及加工表面形貌特征參數(shù)

刀具左右刃振動(dòng)信號和加工表面形貌特征參數(shù)集如式（1）和式（2）所示

其中各個(gè)方向的時(shí)域特征參數(shù)如下式所示。

利用表面輪廓儀沿垂直于表面紋理方向?qū)に嚪桨?所獲得的螺紋樣塊左右螺紋面進(jìn)行檢測，得到加工表面粗糙度值。其中，檢測位置為樣塊中心線處，取樣長度為0.8mm，評定長度為4.0mm。

利用超景深顯微鏡對樣塊左右加工表面進(jìn)行檢測測，分別沿表面紋理方向和垂直于表面紋理方向?qū)⒂^測表面做剖面，在切削加工中為切削速度方向和垂直于切削速度方向，如圖1（a）和（b）所示，從而得到切削速度方向和垂直于切削方向的加工表面不平度。

2 刀具振動(dòng)和加工表面形貌分布特性

將提取的振動(dòng)和加工表面形貌特征參數(shù)形成沿工件軸向分布的行為序列，由于序列量綱及數(shù)量級不一致，在關(guān)聯(lián)分析之前需對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對于多指標(biāo)序列采用區(qū)間算子進(jìn)行無量綱化處理，該算子不改變序列的變化趨勢，為關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果的正確性提供保障。刀具振動(dòng)及左右螺紋面加工表面形貌特征參數(shù)的區(qū)間值像沿工件軸向分布的行為序列曲線如圖2和圖3所示。

1

由圖2和圖3中可以看出，刀具左右刃切削時(shí)振動(dòng)特征參數(shù)沿工件軸向上下波動(dòng)，呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，且不同方向刀具振動(dòng)沿工件軸向的變動(dòng)具有差異性，同一方向不同振動(dòng)特征參數(shù)沿軸向的變動(dòng)也具有差異性;左右螺紋面加工表面形貌特征參數(shù)沿工件軸向頻繁變動(dòng)，且不同加工表面形貌特征參數(shù)沿軸向的分布具有差異性。

3 刀具振動(dòng)與加工表面形貌的關(guān)聯(lián)分析方法

依據(jù)圖2和圖3所示分布序列曲線，采用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析算法，進(jìn)行刀具振動(dòng)特性對加工表面形貌分布特性的影響分析。

4 刀具振動(dòng)對加工表面形貌的影響特性

在1.1所述工藝方案的基礎(chǔ)上改變刀具的刃口半徑、后角及切削次序獲得工藝方案2。其中，左刃刃口半徑為55μm，后角為6°58′;右刃刃口半徑為49μm，后角為7°2′;刀具切削次序?yàn)椋鹤笕星邢?次，右刃切削5次，左右刃按上述切削順序循環(huán)切削10次。采用相同的樣塊提取方法和振動(dòng)信號截取方法，提取的刀具振動(dòng)及左右螺紋面加工表面形貌特征參數(shù)的區(qū)間值像沿工件軸向的分布序列曲線如圖4和圖5所示。

將圖4、圖5的分布序列曲線與圖2、圖3對比可知，改變刀具刃口半徑、后角和切削次序，刀具左右刃振動(dòng)特征參數(shù)和工件左右螺紋面加工表面形貌特征參數(shù)沿工件軸向的分布特性均發(fā)生改變。

采用相同的關(guān)聯(lián)度算法，對左右螺紋面振動(dòng)特征參數(shù)序列和加工表面特征參數(shù)序列進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，得到的關(guān)聯(lián)矩陣如式（6）和式（7）所示：

將兩種不同工藝方案下對加工表面形貌分布特性影響較大的振動(dòng)特征參數(shù)進(jìn)行匯總，如表2所示。

表中，“（+）”表示兩序列曲線呈正相關(guān)，“（-）”表示兩序列曲線呈負(fù)相關(guān)性，“—”表示振動(dòng)特征參數(shù)對加工表面形貌分布特性的影響較小。

由表2可以看出，工藝方案1振動(dòng)平均能量和振動(dòng)信號的沖擊程度對加工表面不平度分布特性的影響較大，而工藝方案2是對加工表面粗糙度及切削速度方向的加工表面不平度分布特性影響較大。由此可知，振動(dòng)平均能量、信號的沖擊程度對加工表面形貌分布特性的影響會(huì)隨刃口半徑、后角和切削次序的改變而改變。采用改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析方法，可有效揭示切削過程中刀具振動(dòng)特性的不斷變化對螺紋加工表面形貌分布特性的影響。

5 結(jié) 論

1）切削左螺紋面刀具振動(dòng)與加工表面形貌關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，沿軸向進(jìn)給方向振動(dòng)信號的沖擊程度、切深方向的振動(dòng)平均能量對垂直于切削速度方向的加工表面不平度分布特性影響較大，且呈正相關(guān)。

2）切削右螺紋面刀具振動(dòng)與加工表面形貌關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，切深方向的振動(dòng)平均能量、切削速度方向振動(dòng)信號的沖擊程度對切削速度方向的加工表面不平度分布特性的影響較大，且呈正相關(guān);切深方向、沿軸向進(jìn)給方向振動(dòng)信號的沖擊程度對切削速度方向的加工表面不平度分布特性的影響較大，且呈負(fù)相關(guān)。

3）實(shí)驗(yàn)與關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，振動(dòng)平均能量、沖擊程度的分布特性對加工表面形貌分布特性的影響隨刃口半徑、后角和切削次序的改變而改變，可通過改變上述工藝參數(shù)來改變刀具振動(dòng)與加工表面形貌的關(guān)系，進(jìn)而改善加工表面形貌沿軸向分布的一致性。

4）改進(jìn)的灰色關(guān)聯(lián)分析模型能正確反映兩序列曲線之間的正負(fù)相關(guān)性，可用于揭示大螺距螺紋刀具振動(dòng)對加工表面形貌分布的影響特性。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：關(guān) 毅）