基于振動信號的滾齒加工工藝參數(shù)優(yōu)化

韓彥科，孔令勇，楊春蘭

（秦川集團(tuán)（西安）技術(shù)研究院有限公司，西安 710018）

0 引言

齒輪是汽車、工程機(jī)械等傳動系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的傳動部件，齒輪以其恒功率輸出、承載能力大、傳動效率高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中[1]。滾齒加工因加工效率高、適應(yīng)性好等優(yōu)點，是目前齒輪加工應(yīng)用最廣泛的加工技術(shù)之一。目前，我國大多數(shù)齒輪加工企業(yè)都是靠工藝人員的經(jīng)驗或參考切削加工手冊來選擇工藝參數(shù)，這樣選擇可能考慮不到加工過程中的振動等因素影響，加工過程中振動過大會導(dǎo)致加工精度降低，刀具壽命降低，機(jī)床壽命降低[2]。合理科學(xué)的工藝參數(shù)對于滾齒加工有著重要的意義，本文通過采集滾齒加工過程中不同工藝參數(shù)下的振動，然后基于振動信號優(yōu)化出合理的工藝參數(shù)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的搭建

本文搭建了一套監(jiān)測滾齒加工過程中振動的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由滾齒機(jī)、加速度傳感器、采集卡、交換機(jī)和計算機(jī)組成，下面對重要硬件及采集方案進(jìn)行具體介紹。

1.1 滾齒機(jī)介紹

滾齒加工采用秦川機(jī)床YK3126 滾齒機(jī)，該機(jī)床具有七軸四聯(lián)動功能，共有7 個CNC 軸：滾刀進(jìn)刀軸X、刀架竄刀軸Y、滾刀走刀軸Z、刀架旋轉(zhuǎn)軸A、刀具主軸S（B）、工件旋轉(zhuǎn)軸C、機(jī)械手回轉(zhuǎn)軸C2。該機(jī)床滾齒過程由數(shù)控系統(tǒng)控制，可以完成齒輪和蝸輪的滾削，并能實現(xiàn)多種齒型切削，如：直齒切削、斜齒切削、鼓形齒切削、錐形齒切削、徑向滾削蝸輪、切向滾削蝸輪等。機(jī)床可實現(xiàn)順、逆滾切加工，可以滾切不同模數(shù)和壓力角的齒輪。

1.2 振動傳感器選型及安裝

由于機(jī)床能安裝振動傳感器的位置較小，因此選擇三向Dytran3143D1 加速度傳感器，其量程為±50 g，輸出靈敏度為100 mV/g，頻響10 kHz。傳感器是絕緣型的，直接安裝即可。

1.3 監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)

振動數(shù)據(jù)采集使用華中科技大學(xué)襄陽工學(xué)院的振動采集卡進(jìn)行采集，振動傳感器通過振動采集模塊接入交換機(jī)，然后筆記本與交換機(jī)相連，運行采集軟件即可采集，采集方案如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 切削實驗

2.1 實驗設(shè)計

本次實驗優(yōu)化的工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速，因此需要研究主軸轉(zhuǎn)速和振動的關(guān)系。本次實驗滾齒加工分為兩刀切，第一刀去量，第二刀提高加工精度，具體工藝參數(shù)如表1 所示，實驗中保持軸向進(jìn)給速度和徑向吃刀量不變，刀具轉(zhuǎn)速逐漸增加。

表1 工藝參數(shù)

2.2 基于實驗數(shù)據(jù)優(yōu)化工藝參數(shù)

首先對1 號零件X、Y、Z三個方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析，如圖2 所示。可以發(fā)現(xiàn)，三個方向的整體趨勢是一致的，X和Z方向的振動比Y方向大，說明X和Z方向為振動敏感方向，這是因為X和Z方向為徑向，是受力大的方向，Y方向為軸向，是受力較小的方向。下面取X方向，并結(jié)合加工過程，劃分出加工階段，如圖3 所示。

圖2 1 號零件3 個方向的振動

圖3 1 號零件X 方向的振動

為保證采集加工過程的完整性，在程序未啟動前，啟動了采集軟件，從2 可以看到，剛開始振動較小，并且非常穩(wěn)定，因此判斷第1 階段為程序未啟動。第2 階段開始時，振動突然升高，判斷此時程序啟動，主軸轉(zhuǎn)動，但是還沒有接觸到工件。第3 階段開始時，振動在第2 階段的基礎(chǔ)上突然增加，由于刀具與工件接觸的瞬間會有一個小的撞擊，因此判斷此時刀具與工件剛好接觸。第3 階段的后半段，隨著吃刀量逐漸減小，振動也在減小，在脫離的一瞬間，振動有一個突然減小。第4 階段振動的大小與第2階段基本相同，判斷為兩刀切削中間的間隔時間。第5 階段的振動趨勢與第3 階段基本相同，判斷為第二刀切削過程。第6 階段的振動大小與第2 階段基本相同，判斷為滾刀與工件脫離接觸，退刀的過程。

1、2、3、4、5 號零件的第一刀轉(zhuǎn)速由440 r/min 逐漸增加到了800 r/min，第二刀轉(zhuǎn)速由570 r/min 逐漸增加到了850 r/min，第一刀的軸向進(jìn)給速度都為42.18 mm/min，第二刀的軸向進(jìn)給速度都為50.62 mm/min，第一刀的徑向吃刀量都為6.45 mm，第二刀的徑向吃刀量都為0.3 mm。由于X方向為振動的敏感方向，因此將1、2、3、4、5 號零件的X方向的整體時域圖進(jìn)行對比分析以分析出最優(yōu)轉(zhuǎn)速，如圖4 所示。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速變化對X 方向振動的影響

通過觀察圖4 可以發(fā)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)速變化時，X方向的振動趨勢是一致的。依據(jù)前面劃分加工階段的規(guī)則，只比較第一刀加工過程的振動，除3 號零件外，加工過程中的振動隨著轉(zhuǎn)速增加是逐漸增大的，3 號零件的振動最小。均方根值能夠很好的反映加工過程的整體振動的情況，因此從圖5 中也證明了上述觀點，也就是主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min 的振動最小，說明600 r/min 附近的轉(zhuǎn)速較好。只比較第二刀加工過程的振動，1 號零件和2 號零件的振動大小差不多，都是比較小，3 號零件的振動最大，4 號和5 號零件的振動大小差不多，均比1 號和2 號大。1 號的主軸轉(zhuǎn)速為570 r/min，2 號零件的主軸轉(zhuǎn)速為580 r/min，再次說明了600 r/min 附近的轉(zhuǎn)速較好。

圖5 第一刀切削過程中X 方向振動的均方根值隨主軸轉(zhuǎn)速的變化

3 結(jié)論

通過本次實驗發(fā)現(xiàn)，在第一刀切削過程中，振動波動較大，主軸轉(zhuǎn)速小于600 r/min 的情況下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，平穩(wěn)階段的振動基本不變。主軸轉(zhuǎn)速大于600 r/min 的情況下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，振動有較為明顯的增大，600 r/min 的振動最小。在第二刀切削過程中，振動較為平穩(wěn)，在轉(zhuǎn)速小于680 r/min時，振動較小，在轉(zhuǎn)速大于680 r/min 時，振動有明顯的增大。綜上所述，第一刀主軸轉(zhuǎn)速在600 r/min 附近較優(yōu)，第二刀主軸轉(zhuǎn)速在650 r/min 附近較優(yōu)。

4 結(jié)語

相比依靠工藝人員的經(jīng)驗或參考切削加工手冊選擇的工藝參數(shù)，經(jīng)過優(yōu)化后的工藝參數(shù)能夠在保證效率的前提下，提高加工精度，減少刀具磨損，延長機(jī)床壽命，有利于企業(yè)降低加工成本。