正交車(chē)銑SiCp/Al復(fù)合材料薄壁回轉(zhuǎn)體振動(dòng)信號(hào)的實(shí)驗(yàn)分析*

郭俊文　黃樹(shù)濤　許立福　焦可茹

(沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

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正交車(chē)銑SiCp/Al復(fù)合材料薄壁回轉(zhuǎn)體振動(dòng)信號(hào)的實(shí)驗(yàn)分析*

郭俊文黃樹(shù)濤許立福焦可茹

(沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

運(yùn)用MAZAK INTEGREX 200Y機(jī)床上正交車(chē)銑SiCp/Al復(fù)合材料薄壁回轉(zhuǎn)體試件，通過(guò)PCI-1712高速數(shù)據(jù)采集卡采集刀桿主軸的加速度振動(dòng)信號(hào)，分析了不同刀具轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速對(duì)刀桿主軸振動(dòng)的影響。結(jié)果表明切削力激振頻率ωi遠(yuǎn)小于薄壁件固有頻率，且使用該參數(shù)不會(huì)引起顫振；刀具轉(zhuǎn)速對(duì)切削振動(dòng)有很大影響，正交車(chē)銑加工時(shí)應(yīng)通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速比，避開(kāi)顫振敏感的刀具速度。分析結(jié)果對(duì)正交車(chē)銑加工薄壁件有指導(dǎo)意義。

SiCp/Al復(fù)合材料；薄壁回轉(zhuǎn)體；正交車(chē)銑；振動(dòng)

薄壁工件加工是機(jī)械加工中比較棘手的問(wèn)題，原因是薄壁工件剛性差、強(qiáng)度弱、容易發(fā)生切削振顫，在加工中極容易變形，使工件的形位誤差增大。要保證零件的加工質(zhì)量關(guān)鍵是消除或減小加工過(guò)程中的振動(dòng)，可通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，如提高工藝系統(tǒng)剛度、進(jìn)行多次工序間熱處理、選擇合理切削用量、充分冷卻、設(shè)計(jì)薄壁筒體加工系列夾具并相應(yīng)調(diào)整加工工步和刀具切削參數(shù)等措施[1]。

SiCp/Al復(fù)合材料薄壁件由于材料各方面的性能指標(biāo)優(yōu)異，重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、整體性能高，在現(xiàn)代航空、航天工業(yè)中應(yīng)用普遍，經(jīng)常被用來(lái)作為導(dǎo)彈、飛機(jī)、衛(wèi)星等上的功能件和特殊結(jié)構(gòu)件。但是SiCp/Al復(fù)合材料薄壁件的材料和結(jié)構(gòu)特性也使得切削加工過(guò)程中的振動(dòng)比較嚴(yán)重，特別是對(duì)高體分SiCp/Al 復(fù)合材料，由于其性能偏于脆性，振動(dòng)將加大其產(chǎn)生損傷和破壞的可能[2-3]。在機(jī)械加工中自由振動(dòng)衰減快，對(duì)切削過(guò)程影響不大；受迫振動(dòng)的頻率等于激振力的頻率，或是它的整數(shù)倍，當(dāng)激振力的頻率等于或接近振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)生共振，振幅急劇增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)遭到破壞。自激振動(dòng)是受到外界干擾而產(chǎn)生的一種振動(dòng)，頻率接近系統(tǒng)的固有頻率，切削過(guò)程中自激顫振危害性較大，是目前機(jī)械加工中比較棘手的問(wèn)題[4]。本文將采用一種先進(jìn)的金屬切削方法正交車(chē)銑技術(shù)，利用銑刀旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切削加工，屬于斷續(xù)切削，切削過(guò)程中具有切削力小，切削平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，因此適用于薄壁的加工[5-7]。所以研究正交車(chē)銑薄壁回轉(zhuǎn)體振動(dòng)信號(hào)對(duì)車(chē)銑加工薄壁件有重要意義。

1　切削實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)所采用的機(jī)床是日本生產(chǎn)MAZAK INTEGREX 200Y車(chē)銑加工中心，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)原理圖如圖2所示。

工件：工件材料是SiCp/Al復(fù)合材料，本次實(shí)驗(yàn)工件尺寸為長(zhǎng)L=150 mm，外徑D=76 mm，壁厚為4 mm的薄壁圓筒。工件裝夾長(zhǎng)度為13 mm，裝卡部分工件內(nèi)部填充鋁棒防止工件被壓碎。材料中的SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)為56%，顆粒平均尺寸大小為60 μm，材料主要性能如表1。

實(shí)驗(yàn)刀具：實(shí)驗(yàn)采用的刀具為瑞典 SANDVIK 公司生產(chǎn)的聚晶金剛石(PCD)單齒立銑刀，刀具φ=12 mm，前角γo為0°，后角αo為5°，刃傾角λ為5°，刀尖圓弧半徑r為0.4 mm。

表1　SiCp/Al復(fù)合材料參數(shù)

測(cè)試儀器：PCI-1712數(shù)據(jù)采集卡，CA-YD系列壓電式加速度計(jì)，YE5850電荷放大器。1通道所接加速傳感器測(cè)量刀桿主軸軸向振動(dòng)，其靈敏度為1.92 PC/m·s-2；2通道所接加速度傳感器測(cè)量刀桿主軸切向振動(dòng)，其靈敏度為2.25 PC/m·s-2；3通道所接加速度傳感器測(cè)量刀桿主軸徑向振動(dòng)，其靈敏度為2.16 PC/m·s-2。

1.2薄壁回轉(zhuǎn)體動(dòng)態(tài)特性分析

使用有限元軟件ANSYS建立薄壁回轉(zhuǎn)體工件的有限元模型如圖3，并進(jìn)行有限元計(jì)算。

根據(jù)有限元模型計(jì)算得到薄壁回轉(zhuǎn)體工件的前4階固有頻率，如表2所示。

表2　薄壁回轉(zhuǎn)體前4階固有頻率

1.3振動(dòng)信號(hào)采集

實(shí)驗(yàn)主要是研究不同刀具轉(zhuǎn)速、工件轉(zhuǎn)速條件下工件的振動(dòng)情況。在刀具轉(zhuǎn)速n分別為2 500 r/min、2 750 r/min、3 250 r/min、3 750 r/min、4 000 r/min時(shí)，其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)如工件轉(zhuǎn)速n為15 r/min,進(jìn)給量f為0.2 mm/r,切深ap為0.2 mm。在刀具轉(zhuǎn)速n為3 000 r/min,進(jìn)給量f為0.2 mm/r,切深ap為0.2 mm不變時(shí)，只改變工件轉(zhuǎn)速為30 r/min、45 r/min、60 r/min、75 r/min。

在薄壁件加工時(shí)，由于薄壁件剛性差，切削力成為工件變形的主要因素，因此根據(jù)切削力激振頻率公式ωi=n×N/60(n為刀具轉(zhuǎn)速，N為銑刀齒數(shù))，對(duì)所選參數(shù)進(jìn)行分析，可得ωi=41.7 Hz、45.8 Hz、54.2 Hz、62.5 Hz、66.7 Hz遠(yuǎn)小于薄壁件(4086.3 Hz)固有頻率，因此使用該參數(shù)不會(huì)引起顫振。

由于車(chē)銑時(shí)間比較長(zhǎng)，故將測(cè)量設(shè)為3段，分別為入刀切削、平穩(wěn)切削、退刀切削3個(gè)階段，進(jìn)行在離工件自由端分別為0 mm、11 mm、22 mm處切削采集數(shù)據(jù)。

2　正交車(chē)銑振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1刀具轉(zhuǎn)速對(duì)刀桿主軸振動(dòng)的影響

工件轉(zhuǎn)速為15 r/min,進(jìn)給量f為0.2 mm/r,切深ap為0.2 mm,刀具轉(zhuǎn)速為2 500 r/min、2 750 r/min、3 250 r/min、3 750 r/min、4 000 r/min。車(chē)銑加工方式為逆銑，切削線速度v=94.2 m/min、103.6 m/min、122.4 m/min、141.3m/min、150.7 m/min。

現(xiàn)將3個(gè)階段所得測(cè)量值進(jìn)行振動(dòng)加速度信號(hào)分析，切削過(guò)程中刀桿3個(gè)方向振動(dòng)加速的有效值如圖5所示。

從圖5可以看出銑刀刀桿軸向的加速有效值明顯比切向和徑向的加速度有效值要大得多，刀桿切向和徑向的加速度有效值變化比較平穩(wěn)，且入刀切削階段的加速度有效值明顯比平穩(wěn)切削階段和退刀切削階段的加速度有效值要大，由于開(kāi)始切削時(shí)切削力逐漸增大。

由5a可以看出，在入刀切削階段，首先刀具轉(zhuǎn)速由2 500 r/min到2 750 r/min時(shí)，刀桿的軸向加速度有效值略微增大；其次刀具轉(zhuǎn)速由2 750 r/min到3 250 r/min時(shí)，刀桿的軸向加速度有效值明顯變??；然后刀具轉(zhuǎn)速由2 750 r/min到3 750 r/min時(shí)，刀桿的軸向加速度有效值明顯變大；最后刀具轉(zhuǎn)速由3 750 r/min到4 000 r/min時(shí)，刀桿的軸向加速度有效值略微變小。

由5b看出，在穩(wěn)定切削階段，刀桿的軸向有效值隨刀具轉(zhuǎn)速增加變化比較平穩(wěn)。

由5c看出，在退刀切削階段，首先刀具轉(zhuǎn)速由2 500 r/min到2 750 r/min時(shí)，刀桿的軸向加速度有效值變大；其次刀具轉(zhuǎn)速由2 750 r/min到3 750 r/min時(shí)，刀桿的軸向加速度有效值穩(wěn)定減??；最后刀具轉(zhuǎn)速由3 750 r/min到4 000 r/min時(shí)，刀桿的軸向加速度有效值變大。

由于試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置的采樣頻率偏于保守而且值較大，為了看到比較明顯的頻域波形圖要將原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取存盤(pán)，刀具轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)刀桿的主軸頻域波形圖如圖6所示。

從圖6可以看出刀具轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)，刀桿的軸向主振頻率為502.5 Hz，切向、徑向的主振頻率為45 Hz。軸向的振動(dòng)振幅主要集中于500 Hz、700 Hz、900 Hz附近，45 Hz附近也有小的峰值但不明顯；切向的振動(dòng)振幅主要集中在50 Hz、150 Hz附近，600 Hz附近也有小的峰值，且遠(yuǎn)比50 Hz處的峰值要小 ；徑向的振動(dòng)振幅在45 Hz附近有小的峰值但不明顯。軸向在502.5 Hz處取得最大值0.31 m/s2,切向在45 Hz處取得最大值0.016 m/s2，徑向在45 Hz處取得最大值0.008 m/s2。不同刀具轉(zhuǎn)速時(shí)刀桿主軸的主振頻率如表3所示。

表3　不同刀具轉(zhuǎn)速的主振頻率

從表3可以看出，隨著刀具轉(zhuǎn)速的逐漸增大，主軸各方向的主振頻率也隨之增大，且軸向的主頻率比其他兩個(gè)方向的主頻率要大的多。其中不同刀具轉(zhuǎn)速時(shí)刀桿主軸各方向的主振頻率同樣都比較接近刀具的旋轉(zhuǎn)頻率(2 500 r/min即41.7 r/s，2 750 r/min即45.8 r/s，3 250 r/min即54.2 r/s，3 750 r/min即62.5 r/s，4 000 r/min即66.7 r/s)的整數(shù)倍，由此可以看出刀具的旋轉(zhuǎn)是引起刀桿主軸振動(dòng)的主要因素。

2.2工件轉(zhuǎn)速對(duì)刀桿振動(dòng)的影響

刀具轉(zhuǎn)速n為3 250 r/min,進(jìn)給量f為0.2 mm/r,切深ap為0.2 mm,工件轉(zhuǎn)速為30 r/min、45 r/min、60 r/min、75 r/min。

現(xiàn)將3個(gè)階段所得測(cè)量值進(jìn)行振動(dòng)加速度信號(hào)分析，切削過(guò)程中刀桿3個(gè)方向振動(dòng)加速的有效值如圖7所示。

從圖7的3個(gè)階段的工件轉(zhuǎn)速對(duì)加速度有效值變化曲線來(lái)看，隨著工件轉(zhuǎn)速的逐漸增大，刀桿的軸向、徑向、切向有效值隨變化比較平穩(wěn)，且銑刀刀桿軸向的加速有效值明顯比切向和徑向的加速度有效值要大得多。

所以由兩種不同的因素對(duì)刀桿主軸的振動(dòng)影響來(lái)看，工件轉(zhuǎn)速?zèng)]有刀具轉(zhuǎn)速對(duì)刀桿主軸振動(dòng)的影響大。在車(chē)銑加工生產(chǎn)薄壁回轉(zhuǎn)體時(shí)，要著重考慮刀具轉(zhuǎn)速對(duì)工件振動(dòng)的影響。

工件轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)刀桿的主軸頻域波形圖如圖8所示，其刀桿的軸向主振頻率為702.5 Hz,切向、徑向的主振頻率為55 Hz。軸向的振動(dòng)振幅主要集中于700 Hz、500 Hz附近，50 Hz附近也有小的峰值但不明顯且在100～400 Hz之間的頻段處均無(wú)振動(dòng)；切向的振動(dòng)振幅最大處集中在55 Hz附近，且在整個(gè)頻段振動(dòng)比較均勻；徑向的振動(dòng)振幅主要集中在55 Hz、225 Hz、975 Hz附近，其余頻段均有小的峰值。軸向在702.5 Hz處取得最大值0.275 m/s2，切向在55 Hz處取得最大值0.0066 m/s2，徑向在55 Hz處取得最大值0.006 24 m/s2。

不同工件轉(zhuǎn)速時(shí)刀桿主軸的主振頻率如表4所示。

表4　不同工件轉(zhuǎn)速的主振頻率

由表4可以看出，軸向主振頻率比徑向、切向主振頻率大的多，且隨著工件轉(zhuǎn)速的變大只有軸向主振頻率在變化，所以在車(chē)銑加工過(guò)程中，工件轉(zhuǎn)速只影響刀桿軸向的主振頻率，對(duì)徑向、切向的主振頻率沒(méi)有影響。工件的旋轉(zhuǎn)頻率(30 r/min即0.5 r/s、45 r/min即0.75 r/s、60 r/min即1 m/s、75 m/min即1.25 r/s)明顯小于刀桿主軸各方向的主振頻率，因此工件轉(zhuǎn)速對(duì)正交車(chē)銑加工的振動(dòng)影響不大。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)正交車(chē)銑過(guò)程中刀桿主軸的振動(dòng)加速度的測(cè)量分析了不同刀具轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速對(duì)刀桿主軸振動(dòng)的影響，結(jié)果表明：

(1)切削參數(shù)對(duì)刀桿主軸振動(dòng)均有一定影響，刀桿主軸的軸向加速度有效值要比其他兩個(gè)方向要大得多，且刀桿主軸振動(dòng)的主頻率與工件旋轉(zhuǎn)頻率和刀具旋轉(zhuǎn)頻率的整數(shù)倍相接近。

(2)根據(jù)切削力激振頻率公式ωi=n×N/60(n為轉(zhuǎn)速，N為銑刀齒數(shù))，對(duì)所選參數(shù)進(jìn)行分析，可得ωi遠(yuǎn)小于薄壁件(4 086.3 Hz)固有頻率，得到使用該參數(shù)不會(huì)引起顫振。

(3)刀具轉(zhuǎn)速對(duì)切削振動(dòng)有很大影響，正交車(chē)銑加工時(shí)應(yīng)通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速比，避開(kāi)顫振敏感的刀具速度。

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(編輯譚弘穎)

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Test ansysis on vibration signal of rotary thin-walled part of SiCp/Al composites with orthogonal turn-milling machining

GUO Junwen,HUANG Shutao,XU Lifu,JIAO Keru

(School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, CHN)

The present study makes an analysis of the impact of the change to a different tool speed and workpiece speed on the arbor shaft vibration with the help of Turn Milling SiCp/Al composites thin wall revolving body specimens in the machine MAZAK INTEGREX 200Y. And the PCI-1712 high-speed data acquisition card is employed to collect acceleration vibration signal of the spindle arbor. Results show that the cutting force of vibration frequencyωiis far less than I thin-walled inherent frequency, and the use of this parameter will not cause flutter .The tool speed also has a great influence on the cutting vibration. Therefore, when working, the turn-milling should adjust the speed ratio to avoid chatter sensitive tool speed. The results have a great significance to orthogonal milling of thin-walled parts.

SiCp/Al composites; rotary part; orthogonal turn-milling; vibration

TG51

A

郭俊文，男，1989年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾虏牧暇芗疤胤N加工技術(shù)。

2015-06-15)

160131