球頭銑削多硬度拼接淬硬鋼的振動(dòng)研究

王揚(yáng)渝 計(jì)時(shí)鳴 王慧強(qiáng) 文東輝

浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310014

0 引言

使用球頭銑刀精銑模具型腔，可獲得表面粗糙度Ra小于0.5μm的已加工表面，提高模具的生產(chǎn)加工效率［1－2］，這一加工工藝獲得了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［3－6］。汽車覆蓋件模具型腔的自由型面上存在大量溝槽、轉(zhuǎn)角、凸起、凹陷等結(jié)構(gòu)，多采用整體或鑲塊式50HRC至65HRC淬硬鋼拼接而成，多硬度拼接的過渡區(qū)由于存在硬度變化，導(dǎo)致銑削特性復(fù)雜多變，但國內(nèi)對其復(fù)雜多變性的研究近乎空白。

由于工件硬度對切削力及刀具磨損有著顯著的影響［7－8］，故在銑削多硬度拼接工件時(shí)，會(huì)因刀具與工件接觸區(qū)硬度的交替變化，加劇刀具磨損，降低加工表面質(zhì)量并制約生產(chǎn)效率的提高。其銑削振動(dòng)規(guī)律較單一硬度條件有著明顯的差異。對加速度信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻譜分析是研究切削振動(dòng)的有效手段。Toh［9］采用新舊刀具和不同銑削路徑，進(jìn)行了淬硬鋼高速粗銑和精銑實(shí)驗(yàn)，并對比分析了銑削力的頻譜特性差異。Tatar等［10］利用激光測振儀測試了銑削過程中的刀具振動(dòng)位移，并進(jìn)行了時(shí)域和頻譜分析，研究了刀具振動(dòng)信號(hào)的諧波特性。Amina等［11］利用功率譜密度函數(shù)分析了銑削45鋼表面粗糙度與振動(dòng)幅值的關(guān)系，指出在切削速度大于200m／min時(shí)，采用大直徑刀具可以獲得較好的已加工表面。Liu等［12］建立了微細(xì)銑削振動(dòng)測試系統(tǒng)，通過提取振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域和頻域特征參數(shù)，定量描述了不同銑削方式和銑削轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)信號(hào)的能量差異。利用時(shí)頻域分析方法，研究球頭銑削不同硬度淬硬鋼，特別是硬度拼接區(qū)域的銑削振動(dòng)規(guī)律，對于改善工件表面質(zhì)量、提高切削效率和延長刀具使用壽命等具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

本文以2種硬度的Cr12MoV淬硬鋼為對象，分別進(jìn)行了單一硬度和多硬度拼接狀態(tài)下的球頭銑削振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，分析了工件和機(jī)床主軸在加工過程中的加速度信號(hào)特征，并且通過振動(dòng)信號(hào)均方根值，研究了切削條件對工件及主軸振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律。

1 不同硬度淬硬鋼球頭銑削振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

采用戴杰RNMM－200105S－S20C刀桿及RNM－200－R03涂層硬質(zhì)合金兩刃球頭銑刀，在AVC1200C精密立式加工中心上進(jìn)行淬硬鋼銑削實(shí)驗(yàn)。銑削方式為干式逆銑削，刀具懸伸量為120mm，軸向切深取為精銑下的常用量0.1mm，主軸轉(zhuǎn)速范圍為2000～6000r／min（間隔為500r／min），進(jìn)給速度為500～1500mm／min（間隔為250mm／min）。采用正交實(shí)驗(yàn)方法，通過變化主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度進(jìn)行不同切削條件下的主軸及工件的振動(dòng)響應(yīng)分析。

1.2 工件材料及拼接方法

以淬硬狀態(tài)下的Cr12MoV模具鋼為實(shí)驗(yàn)對象，用X射線熒光光譜儀以及碳硫分析儀檢測得到的工件材料化學(xué)成分如表1所示。

表1 工件材料的化學(xué)成分

工件尺寸為200mm×200mm×60mm，由3塊經(jīng)過不同的熱處理工藝，硬度分別為60HRC、52HRC、60HRC的試件通過2根長度為200mm的不銹鋼高強(qiáng)度鉸制孔用螺栓連接為一個(gè)整體，如圖1所示。為減小因工件不平整導(dǎo)致的測試誤差，實(shí)驗(yàn)前，工件上下表面及側(cè)面經(jīng)過磨削加工處理，其表面粗糙度Ra均達(dá)到0.8μm。

圖1 多硬度拼接的Cr12MoV模具鋼

1.3 銑削振動(dòng)測試系統(tǒng)

在LMS結(jié)構(gòu)振動(dòng)測試分析系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立的銑削振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。以工件與工作臺(tái)接觸的左下角為坐標(biāo)原點(diǎn)，以刀具上下運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閆軸方向，以加工進(jìn)給方向?yàn)閄軸方向，建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)笛卡爾坐標(biāo)系。在工件及主軸上選取16個(gè)測試點(diǎn)，其中，在工件四周的側(cè)面上選取10個(gè)測試點(diǎn)，在刀具主軸X、Y方向各選取3個(gè)測試點(diǎn)，進(jìn)行工件3個(gè)方向和主軸X、Y方向的加速度響應(yīng)測試。在工件上安裝了一個(gè)靈敏度為1.03mV／（m／s2）的356A02型 PCB三方向加速度傳感器，其余測試點(diǎn)均安裝了靈敏度為10.20mV／（m／s2）的333B30型單方向加速度傳感器。加速度信號(hào)通過導(dǎo)線002C30接入LMS SCADAIII數(shù)據(jù)采集前端。數(shù)據(jù)前端通過衰減小、串?dāng)_少、最高傳輸速率為100Mbit／s的以太網(wǎng)網(wǎng)線連接至DELL M90移動(dòng)工作站，數(shù)據(jù)被傳輸至LMS Test.Lab軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。銑削振動(dòng)的測試平臺(tái)如圖3所示。

圖2 銑削振動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

圖3 銑削振動(dòng)測試平臺(tái)

銑削多硬度拼接淬硬鋼工件是一種斷續(xù)切削過程，刀具與工件高速碰撞導(dǎo)致高頻沖擊特性非常明顯，其信號(hào)采樣應(yīng)以高頻方式進(jìn)行，以避免頻率混疊。以25.6kHz采樣頻率對銑削加工過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過加權(quán)平均方法去除隨機(jī)誤差。同時(shí)采集0～3.2kHz頻帶寬度內(nèi)的信號(hào)，每個(gè)數(shù)據(jù)段采集的譜線數(shù)為8192，頻率分辨率為0.39Hz。加速度響應(yīng)受到傳遞路徑、工件裝夾及機(jī)床結(jié)構(gòu)剛性等的影響，通過分析比較各測點(diǎn)的響應(yīng)特征，選取實(shí)驗(yàn)中位置保持不變的工件及主軸上的測試點(diǎn)的加速度信號(hào)作為研究對象。

2 加速度信號(hào)的時(shí)頻域分析

2.1 時(shí)域分析

分別選取52HRC、62HRC的淬硬鋼試件和拼接后的工件作為加工對象，研究工件硬度及其拼接對加速度響應(yīng)的作用規(guī)律，實(shí)驗(yàn)使用的銑削參 數(shù) 為：主 軸 轉(zhuǎn) 速 5500r／min，進(jìn) 給 速 度1000mm／min，切削深度0.1mm。

主軸振動(dòng)響應(yīng)受工件硬度影響較大，單硬度及拼接狀態(tài)下，主軸X方向的加速度響應(yīng)時(shí)間歷程如圖4所示。其中，銑削52HRC淬硬鋼時(shí)，加速度峰峰值為±3.45m／s2，如圖4a所示；銑削60HRC淬硬鋼時(shí)，峰峰值為±3.92m／s2，如圖4b所示。圖4c所示為銑削多硬度拼接材料主軸X方向時(shí)的加速度信號(hào)時(shí)間歷程，在硬度拼接區(qū)域，加速度峰值發(fā)生階躍變化。加速度時(shí)間歷程分為3段，即銑削3種不同硬度材料的時(shí)候，加速度幅值各不相同，銑削60HRC淬硬鋼時(shí)加速度峰峰值為±8.05m／s2，銑削52HRC淬硬鋼時(shí)加速度峰峰值為±6.37m／s2，振動(dòng)響應(yīng)峰峰值與工件硬度呈現(xiàn)正相關(guān)性。

2.2 頻域分析

加速度信號(hào)比切削力信號(hào)具有更寬的頻譜，抗干擾能力較好，環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以與銑削力信號(hào)一起，進(jìn)行可靠的銑削顫振預(yù)報(bào)［13］。對采集的加速度信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，分析信號(hào)頻率成分及能量分布特征。

圖4 主軸X方向的加速度時(shí)間歷程

圖5所示為主軸轉(zhuǎn)速5500r／min、進(jìn)給速度1000mm／min、切削深度0.1mm時(shí)，銑削60HRC淬硬鋼時(shí)工件測試點(diǎn)三方向的加速度頻譜。結(jié)果表明：X、Y、Z方向的頻譜均由刀齒通過頻率及其諧波組成，具有明顯的諧波特性，且均在刀齒通過頻率處出現(xiàn)最大幅值，Z方向振動(dòng)能量大于其他兩方向的振動(dòng)能量。圖6所示為主軸轉(zhuǎn)速變化時(shí)機(jī)床主軸X方向的自功率譜，從圖6中可見，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，主軸X方向的幅值表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，且加速度信號(hào)的能量分布逐漸向高頻方向移動(dòng)。

圖5 60HRC淬硬鋼銑削振動(dòng)的頻譜圖

圖6 機(jī)床主軸X方向的自功率譜圖

圖7 單硬度與多硬度拼接狀態(tài)下頻譜對比分析

圖7所示為主軸轉(zhuǎn)速6000r／min、進(jìn)給速度1000mm／min、切削深度0.1mm 時(shí)，銑削60HRC單硬度淬硬鋼和多硬度拼接淬硬鋼時(shí)主軸X方向的加速度響應(yīng)頻譜。由圖7a、圖7b可見，其頻譜圖均表現(xiàn)出較好的倍頻特性，銑削單硬度材料時(shí)頻率成分主要集中在0～0.65kHz之間，且最大幅值為0.35m／s2；銑削多硬度材料時(shí)，頻率成分主要集中在0.35～1.40kHz之間，最大幅值為1.33m／s2，幅值明顯增加。以相同主軸轉(zhuǎn)速銑削拼接材料時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)，較銑削單一材料時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)劇烈，且振動(dòng)能量分布在更寬的頻率范圍。

3 銑削條件對振動(dòng)響應(yīng)的影響

均方根值（root mean square，RMS）是用來描述信號(hào)的平均能量或平均功率均方值的正平方根，它是信號(hào)幅度最恰當(dāng)?shù)牧慷龋?4］?？紤]到不同測試的持續(xù)時(shí)間不同，不便于進(jìn)行分析比較，故采用頻譜圖中求出的均方根值進(jìn)行振動(dòng)能量的比較［15］，分析的頻帶范圍均為0～3.2kHz，通過加速度均方根值aRMS，分析單一硬度和多硬度拼接條件下切削參數(shù)對切削振動(dòng)的影響規(guī)律。

3.1 單一硬度條件下銑削參數(shù)對振動(dòng)響應(yīng)的影響

圖8 單一硬度銑削時(shí)主軸轉(zhuǎn)速對加速度均方根值aRMS的影響規(guī)律

圖8所示為主軸轉(zhuǎn)速對工件及主軸振動(dòng)加速度均方根值的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)條件為：進(jìn)給速度1000mm／min，軸向切深0.1mm。從圖8中可以得出，主軸轉(zhuǎn)速對主軸X方向的加速度信號(hào)影響較大，而對主軸Y方向的加速度信號(hào)和工件振動(dòng)影響不大。在主軸轉(zhuǎn)速2500r／min時(shí)，主軸X方向的aRMS出現(xiàn)最大值，該轉(zhuǎn)速下刀齒通過頻率與機(jī)床的固有頻率接近，因此，應(yīng)避免主軸在此轉(zhuǎn)速范圍附近進(jìn)行加工。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過4000r／min時(shí)，振動(dòng)信號(hào)能量呈減小趨勢，工件及主軸各方向上的aRMS均呈逐漸減小趨勢，這可能是因?yàn)檫M(jìn)給速度和銑削深度不變時(shí)，銑削厚度和寬度保持恒定，材料去除速率取決于主軸轉(zhuǎn)速，隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高，提高了材料的去除率，并導(dǎo)致銑削溫度的急劇升高，高溫下工件材料塑性變形更充分，流動(dòng)阻力小，因此切削力小，工件和主軸的振動(dòng)也隨之減小。比較圖8a、圖8b可見，銑削2種不同硬度淬硬鋼，主軸X方向上的振動(dòng)信號(hào)展現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。在切削60HRC淬硬鋼時(shí)，主軸Y方向aRMS明顯大于切削52HRC淬硬鋼時(shí)主軸Y方向aRMS，材料硬度對主軸Y方向振動(dòng)影響較大。

圖9所示為進(jìn)給速度對工件及主軸振動(dòng)加速度均方根值的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)條件為：主軸轉(zhuǎn)速3000r／min，軸向切深0.1mm。從圖9中可以看出，在相同的切削條件下，采用較小的進(jìn)給速度可以有效地降低銑削振動(dòng)。銑削52HRC淬硬鋼時(shí)，隨著進(jìn)給速度的增大，各測試點(diǎn)的aRMS呈現(xiàn)增大趨勢，主軸X方向的aRMS從0.49m／s2增大到1.37m／s2，增加的幅度最為明顯。而銑削60HRC淬硬鋼時(shí)，隨著進(jìn)給速度從500mm／min增大到1500mm／min，主軸 X 方向的aRMS從0.39m／s2增大到0.98m／s2，變化幅度小于銑削52HRC淬硬鋼。銑削52HRC淬硬鋼，工件各方向加速度響應(yīng)與進(jìn)給速度均呈正相關(guān)關(guān)系，但在銑削60HRC淬硬鋼時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)給速度大于1000mm／min時(shí)，工件Y、Z方向上的aRMS有減小的趨勢。

圖9 單一硬度銑削時(shí)進(jìn)給速度對加速度均方根值aRMS的影響規(guī)律

3.2 多硬度拼接條件下銑削參數(shù)對振動(dòng)響應(yīng)的影響

圖10所示為多硬度拼接條件下銑削參數(shù)對振動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)條件為：主軸轉(zhuǎn)速2000～6000r／min，進(jìn)給速度1000mm／min，軸向切深0.1mm。多硬度拼接條件下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，主軸X方向上的振動(dòng)信號(hào)能量接近于單調(diào)增大，且相同轉(zhuǎn)速下的aRMS比單一硬度銑削時(shí)大。如圖10a所示，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速大于3500r／min時(shí)，aRMS均大于1.37m／s2，而單一硬度銑削時(shí)的aRMS均小于1.18m／s2，主軸振動(dòng)能量較單一硬度銑削時(shí)大，這可能是由于球頭銑刀銑削硬度拼接區(qū)域時(shí)，因工件硬度變化產(chǎn)生的沖擊效應(yīng)所致。主軸轉(zhuǎn)速對工件振動(dòng)信號(hào)能量的影響不大，且工件aRMS比單一硬度銑削時(shí)有小幅度的減小。

圖10 多硬度拼接條件下銑削參數(shù)對加速度均方根值aRMS的影響規(guī)律

圖10b所示為主軸轉(zhuǎn)速3000r／min，軸向切深0.1mm時(shí)，進(jìn)給速度對加速度均方根值aRMS的影響規(guī)律。隨著進(jìn)給速度增大，主軸X方向、Y方向和工件X方向的aRMS總體呈現(xiàn)增大趨勢，主軸X 方向的aRMS從0.88m／s2增大到1.18m／s2，主軸Y 方向的aRMS從0.59m／s2增 大 到0.98 m／s2，工件 X 方向的aRMS從0.39m／s2增加到0.69m／s2；而工件Y、Z方向的aRMS幾乎不受進(jìn)給速度變化的影響，穩(wěn)定在0.30m／s2，且比銑削單一硬度材料時(shí)小。

4 結(jié)論

（1）淬硬鋼銑削振動(dòng)信號(hào)呈現(xiàn)周期特性，振動(dòng)信號(hào)頻譜均由刀齒通過頻率及其諧波組成，在銑削頻率上出現(xiàn)最大幅值；隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，振動(dòng)信號(hào)能量向高頻方向移動(dòng)；工件Z方向及主軸進(jìn)給方向的振動(dòng)能量較大；在多硬度過渡區(qū)域，主軸加速度信號(hào)峰峰值與工件硬度相關(guān)，且呈現(xiàn)階躍變化特征。

（2）銑削單一硬度淬硬鋼時(shí)，工件材料的硬度對主軸垂直于進(jìn)給方向的振動(dòng)響應(yīng)影響較大。隨著進(jìn)給速度的增大，主軸及工件振動(dòng)響應(yīng)均有較明顯的增大。

（3）銑削多硬度拼接淬硬鋼時(shí)，主軸進(jìn)給方向的振動(dòng)響應(yīng)隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而單調(diào)增強(qiáng)，且比銑削單一硬度淬硬鋼時(shí)劇烈。

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