振動頻譜分析協(xié)助下薄壁零件加工工藝參數(shù)優(yōu)化

劉學(xué)航，周為，周文超，陳川雄

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川宜賓644003)

薄壁零件廣泛存在于機電設(shè)備產(chǎn)品之中，或因結(jié)構(gòu)性能需要，或為節(jié)約材料。尺寸精度、表面粗糙度及形狀誤差要求較高的薄壁零件的加工，一直是車削中棘手的問題。原因是薄壁零件剛性差、強度弱，車削加工時受切削力、切削熱和振動等的作用和影響，極易產(chǎn)生變形，發(fā)出噪聲。振動導(dǎo)致加工工件表面產(chǎn)生“波紋”等缺陷，生產(chǎn)中往往隨之減少切削用量，降低了生產(chǎn)效率。

1 W640A01 模具推管加工工藝簡析

圖1 模具推管加工略圖

W640A01 模具推管是某公司生產(chǎn)玻璃酒瓶模具的重要配件，屬易耗品，需要量較大。模具推管加工尺寸精度、形狀精度和位置精度要求高，如果模具加工質(zhì)量保證不了，生產(chǎn)出來的玻璃酒瓶就會有毛邊、拉絲、發(fā)白等嚴(yán)重質(zhì)量問題。推管的略圖見圖1。

1.1 數(shù)控車削加工工藝分析

材料為預(yù)硬化模具鋼，牌號3Cr2Mo (P20 模具鋼)，洛氏硬度HRC 30 ～36，直接用于制模加工。工序路線:采用先內(nèi)孔后外圓的加工方式，加工分為粗、半精、精加工多個階段。加工外圓時以內(nèi)孔作為定位基準(zhǔn)，以保證形位精度。如圖所示長度82 mm為薄壁位置，厚度僅1.5 mm，是加工最難點。裝夾設(shè)計:加工外圓時，采用彈性心軸、錐度拉桿組成的脹套結(jié)構(gòu)工裝，即先固定彈性心軸在數(shù)控車床的卡盤上，然后再將錐度拉桿安裝在彈性心軸中并通過螺紋聯(lián)接車床的液壓系統(tǒng)。選擇刀具:刀具選取硬質(zhì)合金90°車刀，刀具刃口鋒利，前角取8° ～15°，修光刃取0.2 ～0.3 mm，刀柄的剛性要求高。

1.2 加工中存在的問題

端面、內(nèi)圓加工比較順利，外圓φ81 薄壁處卻遇到難題:采用常規(guī)切削工藝參數(shù)加工，系統(tǒng)(床身、工件、刀具)出現(xiàn)異常振動，并不時伴有低沉噪聲，工件外圓車削出現(xiàn)“波紋”，產(chǎn)品合格率低。調(diào)整工藝參數(shù)，效果并不理想，檢測質(zhì)量參數(shù)一直不穩(wěn)定。

2 薄壁零件加工過程中的振動

切削加工產(chǎn)生振動的原因很多，數(shù)控車床在工作中影響加工的振動主要屬于強迫振動和自激振動［1］。

強迫振動是由外界周期性的干擾力所引起和維持的振動。支持振動的干擾力，是由外界產(chǎn)生的，振動的特性由外界決定。強迫振動只有在高速切削車床和重型車床發(fā)生諧振的情況下才會影響加工質(zhì)量;在大多數(shù)中等速度的車床上，強迫振動常常是離諧振頻率范圍較遠的非高頻振動，這種振動并不引起處于不同方位結(jié)合面間隙的改變，故不影響車床的工作性能。自激振動是在沒有外來的周期性干擾力的條件下，由振動系統(tǒng)本身引起的交變力作用而產(chǎn)生的振動，在機械加工過程中，這種振動是由振動過程本身引起某種切削力的周期性變化，又由這個周期性變化的切削力反過來加強和維持振動，使振動系統(tǒng)補充了由阻尼作用消耗的能量。當(dāng)振動停止時，該交變力也就消失。這種在金屬切削過程中的自激振動，一般稱為切削顫振，簡稱為顫振［2－5］。強迫振動和自激顫振，最終導(dǎo)致在刀具與工件之間存在難以控制的相對振動，使工件與刀具之間的相對位置發(fā)生了微幅變動，最終使工件表面粗糙度增大、加工質(zhì)量降低。

3 切削工藝參數(shù)優(yōu)化試驗

3.1 試驗方法

切削要素試驗測試系統(tǒng)采用4 個壓電式加速度傳感器，分別安裝在數(shù)控車床主軸方向(表示為:Z-1-測試序號)，外圓車刀刀桿x 方向(表示為:G-X-測試序號)，y 方向(表示為:G-Y-測試序號)，z 方向(表示為:G-Z-測試序號)，用于檢測主軸和外圓車刀刀桿三維方向的振動，4 個加速度傳感器都進行過標(biāo)定，對檢測的不同通道的振動信號進行數(shù)據(jù)采集、計算機頻譜軟件定量比較分析［6］。

為了更好地了解各因素的作用，采用單因素法研究各切削參數(shù)的影響，即通過固定切削二要素數(shù)值、改變另一要素數(shù)值，以詳細、直觀地觀察分析該變要素對加工振動的影響趨勢和變化規(guī)律。具體如表1－3 所示。

表1 變切削速度試驗參數(shù)

表2 變進給量試驗參數(shù)

表3 變背吃刀量試驗參數(shù)

3.2 變切削速度的振動頻譜分析

根據(jù)變切削速度試驗參數(shù)，實測4 個通道振動信號，經(jīng)計算機收集整理輸出如圖2－3 所示頻譜圖。

圖2 切削速度v=150 m/s 的振動頻譜

圖3 切削速度v=400 m/s 的振動頻譜

3.3 頻譜圖解讀

圖2、圖3 為兩種切削速度下的振動頻譜圖，由圖可知:

(1)主軸的主振動頻率隨轉(zhuǎn)速的增加而前移，幅值由7.11 mm/s2較大程度增加到39.52 mm/s2，且出現(xiàn)多個峰值頻率，特別是在高頻臨界附近出現(xiàn)幅值。其主要原因是隨著數(shù)控車床主軸高速旋轉(zhuǎn)，自制脹心錐套工裝裝夾存在偏心產(chǎn)生動不平衡，增大振動。

(2)低速時，刀桿刀具容易發(fā)生顫振，顫振頻率在177 Hz 附近，其中徑向振動加速度幅值最大，為141.32 mm/s2。高速時，刀桿刀具三維方向振動幅值對應(yīng)頻譜位置發(fā)生分散，且幅值較大程度降低，均值在9.32 mm/s2。其主要原因是隨著主軸高速旋轉(zhuǎn)，切削溫度升高，切屑流動阻力減小，切削力減小，從而對切削系統(tǒng)的影響也就減少，沒有發(fā)生顫振。由此可見，從刀桿刀具角度分析振動變化，高速切削振動比低速切削更穩(wěn)定［7～8］。

(3)數(shù)控車床設(shè)定轉(zhuǎn)速(600 ～1 500 r/min)范圍內(nèi)，模具推管加工測試4 個通道發(fā)生顫振時的頻率在167 ～300 Hz 內(nèi)，屬低頻振動。對應(yīng)的生產(chǎn)實際現(xiàn)象有兩點:振動時噪聲較低，偶有刺耳聲;振動比較劇烈時，硬質(zhì)合金刀刃容易鈍化或碎裂，符合低頻振動特征［9］。

3.4 切削參數(shù)對振動的影響變化曲線圖

根據(jù)以上試驗結(jié)果，繪制切削速度對加工振動影響變化圖，如圖4 所示。

圖4 變切削速度對振動的影響

由圖4 可知:

(1)主軸的振動隨主軸轉(zhuǎn)速增加而增加，在切削速度約350 m/min 時，振動開始較大幅度爬升。而刀桿刀具的振動隨切削速度的變化波動很大，在低速(200 m/min)時振動劇烈，隨切削速度的增加迅速降低;在臨界值260 m/min，隨轉(zhuǎn)速的增加各通道振動都呈小幅上下波動。

(2)在各向振動中，刀具的軸向振動最大，其次為刀具的徑向振動，但在高速時，刀具的徑向振動都趨于平穩(wěn)甚至減少，而主軸的振動作用越來越大。

綜合有效避開顫振和提高切削加工效率的生產(chǎn)實際，W640A01 模具薄壁推管加工切削速度優(yōu)化值約300 m/min，對應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速1 200 ～1 300 r/min。

3.5 背吃刀量、進給量對振動影響

同理，按照以上切削速度對振動影響試驗的程序、試驗結(jié)果，繪制不同背吃刀量、進給量對加工振動影響變化圖，可以得出W640A01 模具薄壁推管加工切削背吃刀量、進給量優(yōu)化值分別約為:0.35 mm和0.25 mm/r。

4 結(jié)束語

(1)W640A01 模具推管屬易耗部件，如果外購不僅周期長，而且單價高。優(yōu)化切削工藝參數(shù)，使車削加工生產(chǎn)順利進行，降低了生產(chǎn)成本，滿足了生產(chǎn)需要并提前完成生產(chǎn)任務(wù)，為公司同類薄壁零件批量加工難題的解決找到了技改突破口。

(2)W640A01 模具推管加工振動屬低頻振動，切削速度低速顫振頻率在177 Hz 附近，隨切削速度的增加振動呈現(xiàn)迅速下降。而主軸的振動隨切削速度的增加先平后揚，在中高速時成為主要振動。進給量的增加會導(dǎo)致各通道的切削振動呈現(xiàn)下降的趨勢，而背吃刀量的增加卻導(dǎo)致振動快速增加。

(3)綜合有效避開顫振及生產(chǎn)實際，W640A01薄壁模具推管加工切削速度、背吃刀量、進給量優(yōu)化值分別約:300 ～350 m/min、0.35 mm 和0.25 mm/r。

(4)采用單因素法研究各切削參數(shù)對振動影響，繪制不同切削速度、背吃刀量及進給量對加工振動影響變化圖，可以方便直觀用于切削參數(shù)優(yōu)化，指導(dǎo)生產(chǎn)實際。

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