鈦合金車削加工試驗(yàn)切削振動(dòng)的分析

陳爾濤，石 莉，姜增輝

CHEN Er-tao, SHI Li, JIANG Zeng-hui

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159）

0 引言

機(jī)械加工中產(chǎn)生的振動(dòng)主要有強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)（顫振）兩種類型。強(qiáng)迫振動(dòng)的特征為頻率與外界周期性干擾力的頻率相同，或是它的整數(shù)倍，干擾力消除，強(qiáng)迫振動(dòng)停止。自激振動(dòng)（顫振）的特征機(jī)械加工過(guò)程中，在沒(méi)有周期性外力，由系統(tǒng)內(nèi)部激發(fā)反饋產(chǎn)生的周期性振動(dòng)，其主要特征自激振動(dòng)的頻率等于或接近于系統(tǒng)的固有頻率[1]。無(wú)論哪種振動(dòng)，其實(shí)質(zhì)都使刀具和工件之間產(chǎn)生相對(duì)位移，破壞了工件和刀具之間的正常的運(yùn)動(dòng)軌跡，不僅惡化加工表面、縮短機(jī)床和刀具的使用壽命，而且振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)使加工無(wú)法進(jìn)行。切削實(shí)驗(yàn)是研究切削參數(shù)對(duì)加工過(guò)程的影響規(guī)律，進(jìn)一步指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際，切削過(guò)程中的振動(dòng)會(huì)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重時(shí)使切削實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。

鈦合金具有優(yōu)良的綜合性能，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其切削溫度高、回彈量大及化學(xué)活性強(qiáng)等特性使得鈦合金成為典型的難加工材料。研究鈦合金的切削機(jī)理、刀具磨損規(guī)律及切削加工的切削力的變化規(guī)律及切削振動(dòng)，對(duì)于優(yōu)化鈦合金加工參數(shù)庫(kù)及開發(fā)新型的刀具都有重要意義。

1 鈦合金切削實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)使用CAK6150數(shù)控車床，采用株洲鉆石刀具廠生產(chǎn)的機(jī)夾式外圓車刀，配套刀桿MCLNR2525M12，固定在K I S T L E R 9 4 0 3 型刀架內(nèi)。試驗(yàn)采用瑞士KISTLER平板式測(cè)力儀，型號(hào)為Dynamometer Type 9257B ，試驗(yàn)材料為TC4鈦合金棒料，一端裝夾在車床的三爪卡盤內(nèi)，另一端鉆中心孔，使用死頂尖輔助定位夾緊。圖1為切削試驗(yàn)裝置，應(yīng)用該裝置主要進(jìn)行刀具磨損實(shí)驗(yàn)及切削參數(shù)對(duì)切削力影響實(shí)驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)裝置

1.2 切削振動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生

應(yīng)用上述裝置進(jìn)行切削參數(shù)對(duì)切削力影響實(shí)驗(yàn)。切削過(guò)程中切削力出現(xiàn)異常，工件已加工表面變差，圖2為切削參數(shù)（nw=236r/min，ap=0.1mm和f=0.1r/min）時(shí)車削加工鈦合金測(cè)得的切削力信號(hào)時(shí)域圖。從圖可以看出，工藝系統(tǒng)產(chǎn)生了振動(dòng)，特別是在主切削力方向上振動(dòng)更為明顯，幅值較大。

圖2 切削力信號(hào)時(shí)域圖

2 切削力信號(hào)小波分析及功率譜分析

2.1 切削力信號(hào)的小波分析

圖2為上述切削條件下采集到的三個(gè)方向上的切削力信號(hào)，可以看出，主切削力方向振動(dòng)最為明顯，而且在切削前和切削后都有一定程度的振動(dòng)，為振動(dòng)的主方向，切削時(shí)引起工藝系統(tǒng)其他方向的振動(dòng)，本文以主切削力為例，來(lái)研究切削系統(tǒng)振動(dòng)情況。

應(yīng)用選定的dB2小波對(duì)切削力信號(hào)進(jìn)行9層分解，采樣頻率為2000Hz，奈奎斯特頻率為1000Hz，取奈奎斯特頻率作為切削力信號(hào)的最高頻率，分解后各逼近部分和細(xì)節(jié)部分的頻率為Ai：（0，1000/2i）；Di：（1000/2i，1000/2i-1）其中i=1，2，3,…,9。圖3是切削力信號(hào)小波系數(shù)分解圖,圖中D1～D9是細(xì)節(jié)部分的小波系數(shù)，A9是近似部分的小波系數(shù)，即穩(wěn)態(tài)切削力小波系數(shù)?？梢钥闯鯠7～D9細(xì)節(jié)部分的小波系數(shù)不同于D1～D6，具有周期性，頻率在1.953Hz～15.625Hz之間,為低頻的周期信號(hào)。利用小波系數(shù)D7～D9重構(gòu)低頻振動(dòng)的動(dòng)態(tài)切削力信號(hào)。圖4為重構(gòu)的動(dòng)態(tài)切削力信號(hào)時(shí)域圖，可以看出振動(dòng)信號(hào)在切削階段幅值恒定，具有強(qiáng)迫振動(dòng)信號(hào)的特征[2]。

圖3 切削力信號(hào)小波系數(shù)分解圖

圖4 重構(gòu)的動(dòng)態(tài)切削力信號(hào)

2.2 重構(gòu)動(dòng)態(tài)切削力信號(hào)功率譜分析

為了確定重構(gòu)的動(dòng)態(tài)切削力信號(hào)的具體頻率，利用分段的周期圖法求出信號(hào)的功率譜如圖5所示，從圖中可以看出重構(gòu)的動(dòng)態(tài)切削力信號(hào)的主要頻率有3.91Hz、13.67Hz、27.34Hz和35.17Hz，這些頻率具有近似的倍頻關(guān)系，基頻為3.91Hz。

圖5 重構(gòu)的動(dòng)態(tài)切削力功率譜

3 切削振動(dòng)類型的診斷及產(chǎn)生原因

由前述的切削條件可知，主軸的轉(zhuǎn)速為236r/min，主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)周期為T=60/236=0.2542s，主軸旋轉(zhuǎn)的頻率為f=1/T=3.93Hz，這與重構(gòu)的動(dòng)態(tài)切削力信號(hào)的振動(dòng)頻率3.91Hz非常接近。對(duì)其他切削參數(shù)下振動(dòng)的切削力信號(hào)及同速度下的空載信號(hào)進(jìn)行同樣的分析研究發(fā)現(xiàn)，重構(gòu)動(dòng)態(tài)切削力信號(hào)的振動(dòng)頻率與該參數(shù)下主軸的旋轉(zhuǎn)頻率一致，結(jié)合重構(gòu)的動(dòng)態(tài)切削力波形特征，確定工藝系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。

強(qiáng)迫振動(dòng)的振源有機(jī)內(nèi)振源和機(jī)外振源。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)排除機(jī)外振源的可能。檢查尾座，結(jié)果發(fā)現(xiàn)空載時(shí)尾座頂尖部分有輕微的振動(dòng)，切削加工時(shí)，振動(dòng)更為明顯。為了進(jìn)一步確定振源，分別采集了工藝系統(tǒng)有尾座頂尖時(shí)空載切削力信號(hào)和沒(méi)有尾座頂尖時(shí)空載切削力信號(hào)，結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有尾座頂尖輔助夾緊時(shí)，空載切削力信號(hào)有明顯的低頻振動(dòng)信號(hào)，沒(méi)有尾座頂尖輔助定位夾緊時(shí)，空載切削力信號(hào)為隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)，可以初步診斷尾座頂尖的使用是振動(dòng)產(chǎn)生的原因。

由圖1可知，該試驗(yàn)系統(tǒng)采用三爪卡盤和頂尖裝夾，但卡盤沒(méi)有內(nèi)裝限位支撐，且試驗(yàn)樣件在制作時(shí)沒(méi)有考慮臺(tái)階限位面，鈦合金加工時(shí)，回彈較大，為了減小對(duì)后面的摩擦與擠壓，減小后面的磨損，提高刀具的使用壽命，一般采用較大的主偏角，本試驗(yàn)刀具主偏角Kr=95，這樣切削加工時(shí)，軸向分力較大，工件在切削力的作用下產(chǎn)生軸向位移，而車床后尾座頂尖為死頂尖，不能及時(shí)補(bǔ)償產(chǎn)生的位移誤差，從而造成頂尖與中心孔的配合出現(xiàn)松動(dòng)。另外卡盤與頂尖的中心線與工件中心孔的中心線是否同心，不同心高速旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生不平衡離心力，因此，軸向定位不準(zhǔn)確和不平衡離心力可能是鈦合金試件加工過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因。

針對(duì)以上分析，對(duì)鈦合金試件進(jìn)行修善，首先在裝夾的一端車出臺(tái)階限位面，防止工件在軸向切削力的作用下產(chǎn)生軸向位移，確保軸向定位準(zhǔn)確。其次，在進(jìn)行切削試驗(yàn)的車床上重做中心孔，確保兩者的同軸度誤差盡可能的小。然后測(cè)量空載及切削時(shí)切削力信號(hào)，低頻的振動(dòng)信號(hào)消除，切削過(guò)程比較穩(wěn)定，確保了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鈦合金振動(dòng)切削力信號(hào)進(jìn)行小波分析和功率譜分析研究，可以得出：

1）鈦合金車削工藝系統(tǒng)產(chǎn)生了強(qiáng)迫振動(dòng)。

2）強(qiáng)迫振動(dòng)的主要原因?yàn)檩S向定位不準(zhǔn)確和同軸度誤差引起的不平衡離心力。通過(guò)車限位臺(tái)階面和重做中心孔，振動(dòng)消除。

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