高速切削加工過(guò)程振動(dòng)預(yù)測(cè)技術(shù)

陳光軍，蘇天宇，侯 帥，孫光興

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300222；2.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；3.天津?qū)殰Z精工集團(tuán)股份有限公司，天津301800）

1 引言

高速切削加工加工參數(shù)選擇的不合理會(huì)導(dǎo)致切削振動(dòng)，切削過(guò)程中振動(dòng)導(dǎo)致的不穩(wěn)定切削會(huì)產(chǎn)生一系列不良的影響，是限制生產(chǎn)效率提高、加速機(jī)床的磨損的主要原因，有時(shí)甚至因振動(dòng)致使機(jī)床設(shè)備零件出現(xiàn)疲勞破壞產(chǎn)生重大事故[1-2]。完善切削振動(dòng)的預(yù)測(cè)工作，對(duì)高速切削加工技術(shù)發(fā)展有著顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

2 切削顫振研究概述

2.1 顫振的產(chǎn)生機(jī)理與模型

切削顫振是典型的自激振動(dòng)現(xiàn)象，是導(dǎo)致不穩(wěn)定切削、制約加工效率與加工精度的主要因素[3]，學(xué)者M(jìn)unoa 列舉的切削加工過(guò)程中產(chǎn)生顫振的現(xiàn)象，如圖1 所示[4]。切削加工過(guò)程中，顫振往往是由切削系統(tǒng)內(nèi)部的寄生反饋引起，想要對(duì)其辨識(shí)、預(yù)測(cè)以及抑制極為困難[5]。如何減少顫振的產(chǎn)生，提出有效的顫振預(yù)測(cè)方法，對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量以及保證產(chǎn)品生產(chǎn)效率具有重要的意義。

圖1 切削加工過(guò)程中產(chǎn)生顫振的現(xiàn)象Fig.1 Phenomenon of Flutter in Cutting Process

自上個(gè)世紀(jì)Taylor、Hahn、Tobias 等學(xué)者開創(chuàng)性的進(jìn)行了切削顫振的研究以來(lái)，目前很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種切削顫振理論，公認(rèn)的顫振類別主要有：再生型顫振、振動(dòng)耦合型顫振以及摩擦型顫振。其中再生型顫振是切削加工產(chǎn)生自激振動(dòng)的主要原因之一，再生型顫振是由切削加工過(guò)程中前后兩轉(zhuǎn)切削振紋的相位差導(dǎo)致切削厚度發(fā)生改變所引起的，其物理模型，如圖2 所示[6]。2008 年，文獻(xiàn)[7]通過(guò)銑削力試驗(yàn)，對(duì)刀具偏心量所造成的再生型顫振現(xiàn)象進(jìn)行了研究，采用改變徑向切深保證穩(wěn)定性加工，提高加工效率。2015 年，文獻(xiàn)[8]以機(jī)床再生型顫振為研究對(duì)象，從顫振的產(chǎn)生機(jī)理和集中質(zhì)量系統(tǒng)的顫振運(yùn)動(dòng)學(xué)方程出發(fā)，利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制對(duì)切削顫振抑制系統(tǒng)進(jìn)行控制仿真。

圖2 再生型顫振物理模型圖Fig.2 Regenerative Flutter Physical Model Diagram

建立切削系統(tǒng)工藝參數(shù)與顫振之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)最大程度上避免顫振的產(chǎn)生、延長(zhǎng)機(jī)床和刀具的壽命、提高經(jīng)濟(jì)效益是一種可行的方法。

2.2 切削顫振的影響因素

切削加工過(guò)程通常伴隨著顫振現(xiàn)象，所發(fā)生的顫振是相當(dāng)復(fù)雜的，影響顫振產(chǎn)生的因素眾多，幾乎包括了整個(gè)機(jī)床系統(tǒng)：機(jī)床-刀具-工件-夾具。分析加工過(guò)程中顫振產(chǎn)生的影響因素，可為后續(xù)顫振的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)及提出控制方法提供有力的依據(jù)。機(jī)床特性、工件和刀具的性能、以及加工方式等固定影響因素而言，切削參數(shù)是可變因素，其通常是制造和加工過(guò)程中產(chǎn)生顫振的主要影響因素。若切削參數(shù)選擇不當(dāng)，就會(huì)加劇刀具磨損產(chǎn)生顫振現(xiàn)象。近年來(lái)，針對(duì)切削參數(shù)選取不當(dāng)引起的振動(dòng)，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究分析。文獻(xiàn)[9]以單因素試驗(yàn)對(duì)TA15 鈦合金進(jìn)行外圓切削，得出了切削用量中切深對(duì)振動(dòng)影響最大的結(jié)論。隨后，文獻(xiàn)[10]以T2225 型深孔鉆鏜床為研究對(duì)象，分析了不同切削參數(shù)條件下，切削參數(shù)的改變對(duì)工件振動(dòng)的影響，并得出選取合適的切削參數(shù)，可以有效地降低切削振動(dòng)的結(jié)論。可以看出，如何實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)的優(yōu)選是很重要的，對(duì)降低生產(chǎn)加工過(guò)程中顫振現(xiàn)象的負(fù)面影響有著重要意義。

3 高速切削穩(wěn)定性預(yù)測(cè)研究

為確保高速切削加工過(guò)程切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在實(shí)際加工過(guò)程中，通常選取保守的切削參數(shù)組合進(jìn)行加工，而這種保守的切削加工方式，往往不能獲得理想的切削效率，與現(xiàn)代化生產(chǎn)對(duì)高效率的追求不相適宜。

3.1 穩(wěn)定性影響因素分析

現(xiàn)今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于高速切削穩(wěn)定性的研究大都是通過(guò)穩(wěn)定性葉瓣圖來(lái)表征的，穩(wěn)定性葉瓣圖直觀的給出了切削穩(wěn)定區(qū)域。2016 年，文獻(xiàn)[11]針對(duì)TC4 鈦合金高速加工過(guò)程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)并以Matlab 編程，建立了鈦合金加工過(guò)程中穩(wěn)定切削極限圖，如圖3 所示。曲線上的點(diǎn)可以表示為不穩(wěn)定切削與穩(wěn)定切削的臨界點(diǎn)，即在切削加工過(guò)程中，穩(wěn)定切削與要發(fā)生切削振動(dòng)之間的臨界狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的具體數(shù)值，被稱為主軸轉(zhuǎn)速與對(duì)應(yīng)切削深度的切削穩(wěn)定性極限值。2017 年，文獻(xiàn)[12]在高速車銑加工試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，仿真分析了顫振穩(wěn)定性葉瓣圖，其結(jié)果表明高速車銑加工過(guò)程中顫振的產(chǎn)生很大程度上取決于切削參數(shù)的選擇。

圖3 切削穩(wěn)定性圖Fig.3 Cutting Stability Diagram

在實(shí)際高速切削加工過(guò)程中，由于機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速很高，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)會(huì)隨著切削加工進(jìn)行而發(fā)生相應(yīng)的改變。2013 年，文獻(xiàn)[13]通過(guò)動(dòng)力學(xué)建模，在顫振穩(wěn)定性分析軟件上，對(duì)顫振進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，在對(duì)某一單一因素進(jìn)行分析時(shí)，保持其他動(dòng)力學(xué)參數(shù)相同，分別只調(diào)整機(jī)床主振系統(tǒng)剛度k、主振系統(tǒng)阻尼比ζ、固有頻率頻率ωn、重疊系數(shù)μ、方向系數(shù)u、剛度系數(shù)kc得到的主軸轉(zhuǎn)速與極限切深的關(guān)系的葉瓣圖，如圖4 所示。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速與極限切深的關(guān)系的葉瓣圖Fig.4 Leaf Flap Diagram of the Relationship between Spindle Speed and Ultimate Cutting Depth

綜合上述文獻(xiàn)可以看出，在顫振穩(wěn)定性葉瓣圖中穩(wěn)定區(qū)域大小與切削加工系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性密切相關(guān)。實(shí)際加工過(guò)程中，在滿足加工效率的前提下參照切削穩(wěn)定性葉瓣圖，從穩(wěn)定性庫(kù)系統(tǒng)中提取最優(yōu)的切削參數(shù)，對(duì)工件進(jìn)行切削加工，實(shí)現(xiàn)切削效率的最大化，對(duì)工程實(shí)際有著指導(dǎo)性意義。

3.2 高速切削穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的研究

高速切削穩(wěn)定性控制理論是確保無(wú)顫振高精度、高效率加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。1995 年文獻(xiàn)[14]在系統(tǒng)力和位移的傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上提出了頻域穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方法。2006 年，文獻(xiàn)[15]通過(guò)測(cè)量不同聲音信號(hào)，建立了鋁合金切削穩(wěn)定性極限曲線。2009 年，文獻(xiàn)[16]根據(jù)加工系統(tǒng)穩(wěn)定性lobel 圖提出了一種主軸調(diào)速策略的預(yù)測(cè)方法。2017年，文獻(xiàn)[17]建立了銑削加工Cr12MoV 的動(dòng)力學(xué)模型和穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型，并基于Matlab 軟件進(jìn)行不同銑削方式的數(shù)值模擬。

在生產(chǎn)實(shí)際中，通過(guò)對(duì)高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)參數(shù)的提取，用顫振穩(wěn)定性分析軟件進(jìn)行切削穩(wěn)定性仿真，結(jié)合繪制出的切削穩(wěn)定性極限圖，可為避開顫振區(qū)選取切削參數(shù)提供可靠的參考依據(jù)。

4 切削振動(dòng)的辨識(shí)與預(yù)測(cè)

切削振動(dòng)的預(yù)測(cè)主要目標(biāo)是及時(shí)辨識(shí)顫振現(xiàn)象，顫振的辨識(shí)，即對(duì)切削加工過(guò)程中的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行直接和間接的在線控制，切削顫振的預(yù)報(bào)主要包括：特征量的提取和判決閾值的確定。由于顫振的生長(zhǎng)時(shí)間極短，要預(yù)測(cè)顫振現(xiàn)象，必須快速準(zhǔn)確地捕捉到顫振產(chǎn)生的前兆，進(jìn)而采取相應(yīng)措施有效的控制或抑制顫振的進(jìn)一步發(fā)展。隨著人工智能技術(shù)的快速進(jìn)步，切削振動(dòng)的預(yù)測(cè)也朝著智能化方向發(fā)展。

文獻(xiàn)[18]提出了一種適用于工業(yè)應(yīng)用的多傳感器顫振檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用了智能算法辨識(shí)各種信號(hào)對(duì)切削顫振征兆的敏感度。2010 年，文獻(xiàn)[19]在切削過(guò)程聲音信號(hào)的反饋基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的預(yù)測(cè)并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)抑制切削顫振。2017 年，文獻(xiàn)[20]基于小波分解和倒頻譜分析方法，以不同顫振發(fā)生頻段信號(hào)的倒頻譜占比系數(shù)作為顫振特征，能夠高效的辨識(shí)不同加工條件下的切削狀態(tài)，如圖5 所示。文獻(xiàn)[21]以航空鋁合金薄壁件為實(shí)驗(yàn)材料，選取了銑削力信號(hào)的實(shí)時(shí)方差特征和加速度信號(hào)的小波能量特征，來(lái)預(yù)測(cè)和辨識(shí)薄壁件的顫振狀態(tài)。

圖5 穩(wěn)定、過(guò)度和顫振狀態(tài)下的倒頻譜Fig.5 Inverted Spectrum in Stable，Excessive and Flutter States

如何構(gòu)建一個(gè)高效、精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)函數(shù)來(lái)辨別高速切削加工過(guò)程中從穩(wěn)定切削區(qū)域過(guò)渡到顫振切削的信號(hào)特征，將是抑制和防止高速切削加工過(guò)程中顫振的發(fā)生以及提高材料切除率和零件加工質(zhì)量的有效途徑之一。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于高速切削加工零件的加工質(zhì)量和效率要求越來(lái)越高，如何辨識(shí)、預(yù)測(cè)顫振及避免切削加工過(guò)程中顫振的產(chǎn)生仍是今后研究的重點(diǎn)。研究各種材料的高速切削機(jī)理，建立不同工況條件下高速切削穩(wěn)定性數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，提高切削顫振控制的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、有效性，是未來(lái)切削顫振控制研究的發(fā)展趨勢(shì)，也是滿足實(shí)際生產(chǎn)需求行之有效的重要途徑。