謝鴻，冷進(jìn)明，鄧亞弟，贠慶芳，向志楊，姜峰

（1．東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000；2.華僑大學(xué)制造工程研究院，福建廈門，361021）

1　概述

切削顫振是一種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象，與機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)特性、動(dòng)態(tài)特性、工件和刀具的材料特性以及切削參數(shù)的選定都有著密切的關(guān)系，對(duì)于切削加工非常不利。主要表現(xiàn)為：（1）降低零件加工的質(zhì)量，甚至使零件報(bào)廢；（2）在加工過(guò)程中為了避免或者減小顫振，不得不采用較為保守的切削用量，高速加工設(shè)備性能得不到充分利用，降低了機(jī)床加工效率。有統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)目前的機(jī)床切削效率只相當(dāng)于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家平均水平的一半，而工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的平均切削效率也僅發(fā)揮了最佳水平的50%，其中的一個(gè)重要原因就是機(jī)械加工振動(dòng)問(wèn)題沒(méi)有很好解決[1]；（3）會(huì)損壞機(jī)床部件和刀具，在刀具相對(duì)于工件振動(dòng)時(shí)，切削截面、切削角度和切削力隨之發(fā)生周期性的變化，使工藝系統(tǒng)的各個(gè)組成環(huán)節(jié)承受動(dòng)態(tài)載荷的作用，這樣使刀具易于磨損，嚴(yán)重時(shí)將產(chǎn)生崩刃，甚至使切削加工無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。因此在機(jī)械加工，特別是高速高精加工過(guò)程中，切削振動(dòng)必須加以監(jiān)測(cè)和控制。切削顫振的監(jiān)測(cè)控制將成為現(xiàn)在和將來(lái)的主要研究熱點(diǎn)[2,3]。但是，現(xiàn)有切削振動(dòng)的研究主要集中在簡(jiǎn)單型面切削領(lǐng)域，對(duì)于一些復(fù)雜曲面零件的加工，切削振動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制的研究較少。根據(jù)工程實(shí)際需要，本文以復(fù)雜曲面零件——汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽銑削的粗加工、半精加工、精加工過(guò)程為研究對(duì)象，建立切削工藝參數(shù)和振動(dòng)特征信號(hào)的關(guān)系，為相應(yīng)的工程需要提供技術(shù)支持，同時(shí)，也為復(fù)雜曲面零件的加工過(guò)程中振動(dòng)監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域注入新的研究成果。

2　試驗(yàn)方案

圖1　試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片

表1　輪槽銑刀粗加工試驗(yàn)參數(shù)

輪槽加工一直以來(lái)是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子加工過(guò)程中比較耗時(shí)的生產(chǎn)工序，傳統(tǒng)高速鋼型線銑刀切削效率低下、壽命短、加工費(fèi)用高昂。隨著刀具材料技術(shù)的發(fā)展，輪槽銑刀的硬質(zhì)合金化成為發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。本試驗(yàn)采用SECO輪槽銑刀，分別進(jìn)行了粗加工，半精加工和精加工。在銑削的過(guò)程中，改變每道工序的線速度和單齒進(jìn)給量?jī)蓚€(gè)工藝參數(shù)，對(duì)輪槽銑刀切削過(guò)程的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示，工藝參數(shù)設(shè)計(jì)如表1～3所示。

表2　輪槽銑刀半精加工試驗(yàn)參數(shù)

表3　輪槽銑刀精加工試驗(yàn)參數(shù)

3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

借助LabVIEW編程，對(duì)振動(dòng)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，觀察線速度和單齒進(jìn)給量對(duì)振動(dòng)信號(hào)特征值的影響。提取的振動(dòng)信號(hào)特征值及其含義如下：

（1）功率譜密度（PSD）：是一種概率統(tǒng)計(jì)方法，是對(duì)隨機(jī)變量均方值的量度。一般用于隨機(jī)振動(dòng)分析，連續(xù)瞬態(tài)響應(yīng)只能通過(guò)概率分布函數(shù)進(jìn)行描述。功率譜密度是結(jié)構(gòu)在隨機(jī)動(dòng)態(tài)載荷激勵(lì)下響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，是一條功率譜密度值-頻率值的關(guān)系曲線。

（2）頻率譜密度：是頻率的分布曲線。復(fù)雜振蕩分解為振幅不同和頻率不同的諧振蕩，這些諧振蕩的幅值按頻率排列的圖形叫做頻譜。頻譜密度分析包括：①RMS值，指的是頻譜分布曲線的均方根值；②峰峰值，指的是一個(gè)周期內(nèi)信號(hào)最高值和最低值之間差的值，就是最大和最小之間的范圍。它描述了信號(hào)值的變化范圍的大小。

圖2　粗加工的頻譜和功率譜密度

圖3　半精加工的頻譜和功率譜密度

圖4　精加工的頻譜和功率譜密度

輪槽粗加工、半精加工和精加工過(guò)程典型的功率譜信號(hào)和頻譜信號(hào)如圖2～4所示。

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1　粗加工

粗加工過(guò)程中振動(dòng)頻譜的峰峰值見(jiàn)表4和圖5。

表4　不同粗加工工藝參數(shù)下的振動(dòng)頻譜峰峰值單位：mm

圖5　不同粗加工工藝參數(shù)下的振動(dòng)頻譜峰峰值

由表4和圖5可知，粗加工條件下，在每齒進(jìn)給量不變的情況下，隨著線速度增加，峰峰值呈增加趨勢(shì)。每齒進(jìn)給量等于0.035 mm時(shí)，加工狀態(tài)較差，切削振動(dòng)較大。最優(yōu)工藝參數(shù)為：每齒進(jìn)給量0.04 mm，切削線速度50 m/min。

4.2　半精加工

半精加工過(guò)程中振動(dòng)頻譜的峰峰值如表5和圖6所示。

由表5和圖6可知，半精加工條件下，在每齒進(jìn)給量不變的情況下，隨著線速度增加，峰峰值呈減小趨勢(shì)，這與粗加工是明顯不同的。最優(yōu)工藝參數(shù)為：每齒進(jìn)給量0.03 mm，切削線速度90 m/min。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)半精加工條件下的切削振動(dòng)遠(yuǎn)大于粗加工，因此半精加工刀具的耐沖擊性能在刀具設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮。

表5　不同半精加工工藝參數(shù)下的振動(dòng)頻譜峰峰值單位：mm

圖6　不同半精加工工藝參數(shù)下的振動(dòng)頻譜峰峰值

4.3　精加工

精加工過(guò)程中振動(dòng)頻譜的峰峰值見(jiàn)表6和圖7。

表6　不同精加工工藝參數(shù)下的振動(dòng)頻譜峰峰值單位：mm

由表6和圖7可知，精加工條件下，在每齒進(jìn)給量不變的情況下，隨著線速度增加，峰峰值變化趨勢(shì)沒(méi)有顯著規(guī)律，但是線速度增加會(huì)使振動(dòng)幅值有增加趨勢(shì)，這與粗加工和半精加工是明顯不同的。最優(yōu)工藝參數(shù)為：每齒進(jìn)給量0.02 mm，切削線速度120 m/min。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)半精加工條件下的切削振動(dòng)遠(yuǎn)大于粗加工和半精加工，因此半精加工刀具的耐沖擊性能在刀具設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮。

圖7　不同精加工工藝參數(shù)下的振動(dòng)頻譜峰峰值

5　結(jié)論

（1）利用激光位移傳感器在線監(jiān)測(cè)了輪槽銑削過(guò)程中刀具的振動(dòng)，并利用LabView獲得了切削振動(dòng)信號(hào)特征參數(shù)；

（2）以振動(dòng)頻譜峰峰值最小為判定原則，設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)確定了粗加工、半精加工和精加工的最優(yōu)工藝參數(shù)；

（3）半精加工條件下的切削振動(dòng)遠(yuǎn)大于粗加工和半精加工，因此半精加工刀具的耐沖擊性能在刀具設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮。

[1]BN Colding.Intelligent Selection of Machine Parameters for Metal Cutting Operations[J].Robotics&CIM.1992,9(4):407-412.

[2]Ulsoy AG，Koren Y.Control of Machining Processes[J].Journal of Dynamic System Measurement&Control.1993,115(7):301-308.

[3]S Rangwala,D Domfeld.Sensor Integration Using Neural Networks for Intelligent Tool Condition Monitoring[J].Journal of Engineer for Industry,1990,112（3）:219.