數控銑削加工振動頻率和能量實驗

王成安, 王海雄, 潘祖吉, 黃增祥

(桂林理工大學 機械與控制工程學院, 廣西 桂林 541006)

0 引 言

在切削過程中, 切削刀具與被切削工件之間因振動會產生頻率和能量的改變, 頻率反映了振動的快慢, 能量峰值反映振動的大小。在確保切削時刀具不發生斷裂的情況下, 振動會使得工件形貌呈現振痕, 影響加工質量, 導致刀具磨損, 嚴重時將會產生刀具劇烈磨損甚至刀具斷裂[1]。振動還會導致刀具受到除切削力外的沖擊力, 強烈的振動沖擊往往也會使刀具斷裂, 導致加工不能正常完成, 所以對數控銑削加工振動頻率和能量開展研究非常有意義。

目前， 對切削的研究主要包括振動的影響因素和調節振動以改善加工表面質量。崔政等[2]通過正交試驗的方法研究切削參數的影響, 采集x、y、z3個方向的切削力信號和切削振動信號, 通過方差分析、貢獻率計算和相關分析, 刀具背吃刀量對主切削方向的力和進給方向的力影響最大, 進給量對 3個方向在切削時振動影響最大, 切削速度對切削力和切削振動影響最小。張軍等[3]通過精切削加工實驗分別研究振動頻率、 主軸轉速頻率和刀具半徑尺寸等參數對工件表面質量的影響, 結果表明振動頻率、 主軸轉速頻率的比值對表面質量有決定性作用, 并提出通過改變主軸轉速來調節振動頻率和主軸轉速頻率達到一個目標值, 從而得到高質量的加工表面。

在數控銑削加工過程中, 主軸轉速、 進給速度和切削深度是最為重要的工藝參數, 當這3個參數的設定值發生變化, 會引起加工過程的振動頻率和振動能量發生變化。本文利用自行設計的測試系統對數控銑削加工的振動頻率和能量進行測試, 探究振動頻率和能量的變化規律。通過對銑削6061-T651鋁合金上的U形槽, 采集銑削過程中銑削系統的振動信號， 通過可視化的能量頻譜圖、 銑削的工件表面圖、 工件影像測量儀下的結構圖分析振動頻率和振動能量對銑削質量的影響。

1 測試系統

本文設計的檢測系統使用的是CA-YD-103電荷輸出型壓電式加速度傳感器； 采用32位STM32F103C8T6單片機； 模數轉換器采用芯片自帶內嵌的2個12位數字轉換器(ADC), 每個轉換器共用多達16個外部通道, 可以實現單詞或掃描轉換[4-5]。信號處理模塊先將壓電式加速度傳感器輸出的電荷信號轉換成電壓信號, 電壓信號經過放大、 濾波后轉換成0～5 V電壓信號, 再輸入到單片機的PA1引腳, 單片機內置的AD轉換模塊讀取PA1引腳上的電壓信號, 并將讀取到的電壓信號轉換成數字信號, 最后通過串口將數據上傳至計算機進行處理。在掃描模式下, 自動選定一組模擬輸入上的轉換。該振動檢測系統的硬件使用的單片機直接采用STM32F103C8T6最小系統板, 該系統板已經配備了底層的供電、 晶振、 復位等基礎功能, 需要自行焊接傳感器接口、 電荷放大電板、 信號調試板、 濾波放大板和A/D轉換模塊[6]， 根據原理圖將元器件排布、 焊接即可, 系統硬件實物如圖1所示。

圖1 檢測系統實物圖

2 測試實驗

2.1 實驗設備及材料

為了驗證設計的檢測系統可行性, 并在此基礎上研究不同的銑削參數和銑削條件下加工工件的表面質量效果的關系[7-8]。本次實驗工件為對稱U槽塊, 因為U形槽的加工可以實現刀具來回切削的平滑過渡, 并且銑削加工的振動影響主要體現在平面加工質量。使用的材料是6061-T651鋁合金, 此材料韌性高、 抗腐蝕、 加工后不變形加工性能極佳。采用的毛坯尺寸為44 mm×20 mm×10 mm， 工件如圖2所示。

圖2 對稱U槽塊

銑削實驗在XHS7145立式加工中心(圖3)上完成。XHS7145立式加工中心主軸轉速最高可達8 000 r/min, 切削進給速度在1～5 000 mm/min, 工作臺尺寸700 mm×450 mm, 可滿足實驗需求。選用FAST牌的高速鋼立銑刀對U形槽進行銑削切削, 刀具齒數為4齒, 直徑10 mm, 刀刃長度25 mm, 刀具總長55 mm。

圖3 實驗加工檢測裝置

2.2 實驗過程

由于機床自身性能因素, 本文設置的主軸轉速在1 000～2 400 r/min, 進給速度設置在50～400 mm/min, 實驗參數在此范圍內機床性能最佳, 避免了因主軸轉速過快和進給速度過大而造成刀具和機床主軸同軸度誤差變大而對工件表面二次破壞。設計了3組單因素試驗, 分別設置5種不同的主軸轉速和進給速度, 再根據兩者試驗的結果, 選取最優加工參數設置5個不同切削深度的加工方案來完成所有實驗。表1所示為不同主軸轉速和進給速度的單因素試驗參數。

表1 不同主軸轉速和進給速度的實驗參數

加工分為3個工序完成, 分別為鉆孔(直徑6 mm)、 粗加工U形槽和精加工U形槽。根據加工工藝, 先對所有毛坯件進行鉆孔加工, 方便安裝傳感器。待所有毛坯件完成鉆孔后開始對U形槽銑削加工和振動數據采集[9-10]。加工過程中測試系統對信號數據處理, 將單片機的ADC參考值通過MATLAB的fft()函數進行數據轉換, 將轉換后的數繪制成能量頻譜圖。加工的部分樣品如圖4所示。

圖4 實驗樣品圖

3 結果分析

在粗加工第一次進刀的切削中, 測量到的時域信號波形圖如圖5a所示； 第一次精加工走刀的時域信號如圖5b所示。

圖5 粗(a、a′)精(b、b′)加工信號波形對比

粗加工和精加工的數據參考值波形差異明顯。通過參考值圖的y軸可以明顯看到粗加工的參考值主要集中在2～4, 而精加工的參考值主要集中在0～2。參考值是單片機經過AD轉換后的一個電壓信號值, 其值由傳感器產生信號大小、 硬件采樣能力決定。經過頻域處理后, 可通過軟件坐標工具對頻譜圖的峰值進行查詢， 可見粗加工時振動頻率在99.6 Hz附近更加集中, 能量最高達55.28 mV； 精加工在頻域信號處理后振動頻率在181和233 Hz能量更加集中, 最高在21.01 mV。在刀具走進圓角時頻率會發生變化, 是由于機床加工臺聯合移動時導致刀具切削力瞬時變化引起的。粗加工時的振動能量遠高于精加工時的振動能量, 說明粗加工時銑削系統的振動更大。這是因為粗加工的切削用量和切削阻力比精加工大, 所以更易引起加工時的振動。

3.1 主軸轉速對銑削振動能量和頻率的影響

主軸轉速是影響效率的重要因素， 但是主軸轉速并不是越高越好, 主軸轉速的提高會增加切削的沖擊力, 導致切削系統振動位移量增加, 從而影響銑削加工工件的表面質量。為了進一步研究主軸轉速對振動頻率和能量的影響, 設計了相同的切削用量、 進給速度下不同的主軸轉速加工實驗, 具體銑削參數見表1, 對采集到的信號進行分析處理, 得到刀具切削頻率、 檢測振動頻率和能量峰值隨主軸轉速的變化關系如圖6所示。

圖6 不同主軸轉速下的能量頻率數據對比

可見主軸轉速在1 000～2 400 r/min, 切削時的振動頻率與刀具切削頻率相接近, 且振動頻率隨著主軸轉速的提高而增大。能量峰值是振動大小的衡量指標, 在1 000 r/min時能量最高, 說明此狀態下的切削振動最大； 當轉速大于1 400 r/min之后, 隨主軸轉速的提高, 能量峰值也呈上升趨勢, 但上升幅度呈逐漸減小的趨勢。根據式(1)計算得主軸轉速1 000、 1 400、 1 800、 2 200、 2 400 r/min的每齒進給量分別為0.050、 0.037、 0.027、 0.023、 0.021 mm。在每齒進給量超過0.037 mm, 對應的主軸轉速為1 400 r/min時， 出現非線性變化振動, 幅度增加較大的現象, 這是由于主軸轉速過小, 每齒進給量增大, 導致機床主軸承受的扭矩過大而導致的沖擊效果。

fZ=F/(n×Z),

(1)

其中,fZ為每齒進給量；F為進給速度；n為主軸轉速；Z為刀具齒數, 本實驗所使用的刀具齒數為4。

3.2 進給速度對銑削振動能量和頻率的影響

通過研究進給速度與銑削振動頻率和能量的關系間接研究進給速度對銑削加工表面質量的影響。根據表1中第6～10組的參數進行精加工銑削實驗, 該組實驗只改變進給速度。對采集到的信號進行分析處理, 得到刀具切削頻率、 檢測到的振動頻率和能量峰值隨主軸轉速的變化關系如圖7所示。

圖7 不同進給速度下的能量頻率數據對比

根據式(1)計算得到主軸轉速為2 000 r/min時精加工第6～10組樣品的每齒進給量分別為0.05、 0.037、 0.025、 0.012 5 mm。每齒進給量在超過0.037 mm之后振動會發生非線性的突變, 這可能是由沖擊力突變造成的。隨著進給速度的提高, 能量峰值也逐漸提高, 說明振動隨著進給速度的提高而增加, 進給速度越快系統振動越大。此外, 當進給速度大于200 mm/min時, 振動能耗變化逐漸變得平緩, 而大于300 mm/min時, 振動能耗變化又加劇。

3.3 主軸轉速和進給速度對加工質量影響的比較

圖8a—e是相同的進給速度(200 mm/min)、 切削深度(0.2 mm)時不同主軸轉速的銑削參數下加工工件的影像測量圖, 其對應的主軸轉速分別是2 400、 2 200、 1 800、 1 400和1 000 r/min。在相同的長度線(0.360 9 mm)上, 觀察到的刀痕數量隨著主軸轉速的提高而增多, 刀痕的數量越多說明其表面紋路越細, 工件表面質量越好。可見, 由于主軸轉速的提高, 使得振動頻率增加, 銑削加工工件表面質量變好。而主軸轉速大于1 800 r/min后, 轉速對表面加工質量的影響變化不大。

圖8f—j是相同主軸轉速為2 000 r/min、 切削深度0.2 mm時不同進給速度的銑削參數下加工工件的影像測量圖, 對應的進給速度分別為400、 300、 200、 100、 50 mm/min。在0.360 9 mm的長度線上, 觀察到的刀痕數量隨著進給速度的提高而減少, 說明銑削加工工件的表面質量隨著進給速度的增加而下降, 這是由于振動頻率不變時, 在相同時間內刀具行進的距離越大, 則刀痕的距離越長, 加之能量峰值增加使得刀痕的深度增加, 加工的表面就越粗糙。故為了提高加工表面質量和加工效率, 在增加進給速度的同時, 應適當增加振動頻率。

圖8 不同主軸轉速和進給速度加工工件表面質量

3.4 銑削深度對銑削振動能量和頻率的影響

根據以上主軸轉速和進給速度對振動頻率、 能耗和表面加工質量的影響, 以及表面質量的變化趨勢, 為了進一步分析主軸轉速對振動頻率和能耗的影響, 考慮進給速度為200 mm/min前后, 振動能耗的變化趨勢。 選擇主軸轉速2 000 r/min, 進給速度為200 mm/min， 銑削深度0.10、 0.15、 0.20、 0.25、 0.30 mm。對實驗時采集到的信號進行分析后得到刀具切削頻率、 檢測振動頻率和能量峰值隨主軸轉速的變化關系如圖9所示。

圖9 不同銑削深度下的能量頻率數據對比

可看出, 隨著銑削深度的增大, 能量峰值也隨之增大, 而檢測到的振動頻率變化不大， 說明銑削深度越大, 銑削振動幅度就越大, 銑削加工的表面質量就越差, 故在精加工時為提高表面質量應適當降低銑削深度。

為了探究振動頻率和能量對工件表面質量的影響, 將加工后的樣品在影像測量儀放大相同倍數后觀察表面結構形貌。以長度為0.360 9 mm的長度線測量刀痕數量和刀痕顆粒情況, 所觀察到的結果如圖10所示, 其中a—e分別對應的是切削深度為0.10、 0.15、 0.20、 0.25、 0.30 mm的精加工樣品的表面結構情況。根據測量結果發現, 在相同的長度線0.360 9 mm中的刀痕數都是8條, 說明在相同的進給速度下工件表面的刀痕數都是相同的。通過觀察可以發現, 隨著切削深度的增大, 刀痕深度也逐漸增大, 痕跡紋理越清晰, 表明了銑削深度增大, 銑刀的振動幅度增加, 這與以上對振動頻率和能量變化的分析結果一致。

圖10 銑削深度單因素試驗工件

4 結 論

綜合分析了不同的主軸轉速、 進給速度和切削深度對振動能量和頻率的影響, 得到如下結論:

(1)主軸轉速小于1 400 r/min時, 由于刀具每齒進給量增大使得振動能量峰值增加而振動增大,造成切削表面質量變差,而當主軸轉速的提高,使得振動頻率增加, 表面質量變好; 主軸轉速大于1 800 r/min時, 主軸轉速對表面加工質量的影響變化不大。

(2)隨著進給速度的增加, 由于振動頻率不變, 在相同時間內刀具行進的距離越大, 則刀痕的距離越長, 加之能量峰值增加使得刀痕的深度增加, 這樣加工的表面就越粗糙。故為了提高加工表面質量和加工效率, 在增加進給速度的同時, 應適當增加振動頻率。

(3) 銑削深度越大, 銑削振動能量越大, 銑削加工的表面質量就越差, 故在精加工時為提高表面質量應適當降低銑削深度。