通過(guò)噪聲的分析評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)電極切削參數(shù)的優(yōu)化

李東亞，魏 明，蘇家兵，趙欣橋

（蘇州大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215000）

超高速切削機(jī)床和刀具的出現(xiàn)，加快了現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展[1]，尤其在電火花加工中電極材料的切削，實(shí)現(xiàn)了電極在一次裝夾中完成所有工序，大大提高了零件精度和加工效率[2]。電火花主要用于加工一些深槽、孔類零件，電極的高度差決定了加工的范圍，因此裝夾高度是決定電極高度的一個(gè)重要因素。本文以電火花加工所使用的電極為研究對(duì)象對(duì)切削加工中的切削參數(shù)、零件的裝夾高度與所產(chǎn)生噪聲的大小進(jìn)行研究，以確定切削參數(shù)中切削速度、進(jìn)給速度、背吃刀量和裝夾高度對(duì)噪聲的影響大小[3]。

采用L25（54）多因素正交試驗(yàn)方法，進(jìn)行切削噪聲試驗(yàn)[4]，完成切削噪聲的采集，研究切削參數(shù)及裝夾高度對(duì)切削噪聲的影響，其原理見(jiàn)圖1所示。為超高速機(jī)床加工電極合理選擇切削參數(shù)和裝夾高度提供參考依據(jù)，同時(shí)還可以為作業(yè)人員提供舒適的工作環(huán)境（承受噪聲）作為依據(jù)。

1 模型建立

高速切削過(guò)程中，切削參數(shù)的大小是通過(guò)切削力進(jìn)行反饋，轉(zhuǎn)化為振動(dòng)與噪聲之間的關(guān)系，依據(jù)有源振動(dòng)控制中有限結(jié)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)能的有源最小化原理來(lái)控制噪聲的大小，結(jié)構(gòu)表面橫向位移用有限個(gè)振動(dòng)模態(tài)疊加表示，有：

式中：An(ω)——第n階簡(jiǎn)正模態(tài)的復(fù)幅度；

φn(x,y)——模態(tài)的空間分布函數(shù)，不同階段的模態(tài)函數(shù)之間滿足正交性；

圖1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析原理圖

模態(tài)幅度與激擾力之間的關(guān)系可近似地看做噪聲大小與切削振動(dòng)之間的關(guān)系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)分析它們之間的函數(shù)關(guān)系，為模型的建立提供理論參考[5]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

（1）實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用的電極材料為銅，形狀為標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)方體，用標(biāo)準(zhǔn)專用夾具（電極座）夾持，可以實(shí)現(xiàn)快速更換，可直接安裝在電火花機(jī)床上使用。

（2）實(shí)驗(yàn)條件

采用GT-66V-S24B數(shù)控高速型加工中心進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，其控制系統(tǒng)為FANUC 0i-MD，主軸轉(zhuǎn)速為0～24 000 r/min，切削方式為順銑，不加切削液。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在超高速數(shù)控機(jī)床電極切削的過(guò)程中,噪聲主要分為空轉(zhuǎn)噪聲和切削噪聲，我們主要對(duì)切削噪聲進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行分析，因此采用INV3018G 20通道并行采集儀、聲級(jí)計(jì)和DASP 平臺(tái)軟件組成的測(cè)試系統(tǒng)，此測(cè)試系統(tǒng)可以進(jìn)行虛擬信號(hào)發(fā)生、信號(hào)示波數(shù)據(jù)采集和基本信號(hào)分析；通過(guò)DASP 軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。由于聲壓法原理簡(jiǎn)單、方法簡(jiǎn)便，測(cè)量?jī)x器已經(jīng)比較成熟，而且聲壓是標(biāo)量，不需要考慮方向，可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)聲級(jí)計(jì)的使用要求和采集信號(hào)的方便性將測(cè)點(diǎn)布置在距工件300 mm 的工件高度中間正前方處，同時(shí)測(cè)點(diǎn)的底座不與機(jī)床接觸，防止加工時(shí)機(jī)床的振動(dòng)傳遞給測(cè)試裝置，測(cè)點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)采集原理如圖2所示。整個(gè)測(cè)試車間的噪聲來(lái)源主要是機(jī)床本身運(yùn)作的噪聲，無(wú)其他噪聲源[6]。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置及原理圖

通過(guò)公式f0=n/60（Hz），可得到刀具切削時(shí)相應(yīng)轉(zhuǎn)速的基頻，切削加工采用的轉(zhuǎn)速為10 000 r/min～22 000 r/min。根據(jù)基頻的公式可以計(jì)算出刀具的旋轉(zhuǎn)頻率在160 Hz～370 Hz 之間，可以對(duì)DASP 軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，選擇寬頻100 Hz～500 Hz 通道進(jìn)行測(cè)試，采樣頻率最高為1 000 Hz，每隔200 μs采集一個(gè)數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間設(shè)定為20 s。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了研究切削銅材料的電極產(chǎn)生的噪聲與切削參數(shù)以及裝夾高度的關(guān)系，設(shè)計(jì)多因素正交實(shí)驗(yàn)，根據(jù)切削加工的要素以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備和刀具的條件，選定影響切削噪聲的4 個(gè)影響因素，主軸轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給速度f(wàn)、背吃刀量ap和裝夾高度d的5個(gè)水平，設(shè)計(jì)L25（54）正交實(shí)驗(yàn)，水平表見(jiàn)表1所示。其中切削參數(shù)的選取是根據(jù)電極加工的特點(diǎn)、超高速機(jī)床性能、切削刀具、電極精度、以往經(jīng)驗(yàn)參數(shù)等多方面因素綜合考慮確定的。

表1 水平表

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）測(cè)量每種條件下的切削噪聲和切削參數(shù)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)及主要參數(shù)分析圖；

（2）對(duì)切削時(shí)產(chǎn)生的背景噪聲進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；

（3）對(duì)切削噪聲進(jìn)行極差和方差分析[7]，得出所需要結(jié)論。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 切削噪聲實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

切削噪聲實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的數(shù)據(jù)畫出裝夾高度與聲壓級(jí)規(guī)律如圖3所示。通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果分析可以看出隨著裝夾高度的逐漸增大所產(chǎn)生的噪聲聲壓級(jí)也呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，當(dāng)裝夾高度到達(dá)70 mm時(shí)，則噪聲聲壓級(jí)的增加變緩，按照曲線的變化規(guī)律繼續(xù)增加則噪聲的聲壓級(jí)出現(xiàn)基本不再變化的趨勢(shì)，因此實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置是根據(jù)此前大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)得出，采用大數(shù)據(jù)分析的方法合理選取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為后續(xù)的極差和方差分析提供了可靠的數(shù)據(jù)源，同時(shí)此高度對(duì)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)電極的高度有一定的指導(dǎo)作用。

圖3 裝夾高度與聲壓級(jí)變化規(guī)律圖

3.2 背景噪聲及數(shù)據(jù)處理

通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)試得出，背景噪聲主要是刀具高速旋轉(zhuǎn)的固有噪聲和機(jī)床本身振動(dòng)產(chǎn)生的固有噪聲。選用加速度傳感器采集振動(dòng)頻率、幅度等前端信息，然后通過(guò)同步共模抑制、對(duì)數(shù)濾波放大方法實(shí)現(xiàn)背景噪聲的消除，得到整個(gè)切削過(guò)程信號(hào)，最后送入頻譜采集卡進(jìn)行頻譜分析[8]。選用音頻傳感器拾取噪聲信息，然后由多通道頻譜采集卡完成頻譜采集；先由信號(hào)發(fā)生器模擬切削噪聲、模擬振動(dòng)信號(hào)，驗(yàn)證信號(hào)采集系統(tǒng)正確性，然后通過(guò)實(shí)際切削實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)際測(cè)試、合理分析，反復(fù)糾錯(cuò)改進(jìn)，逐步改進(jìn)信號(hào)采集系統(tǒng)。

3.3 極差分析

該方法簡(jiǎn)單易行、直觀、計(jì)算量少，應(yīng)用比較普遍。通過(guò)該方法分析可以解決哪些因素對(duì)指標(biāo)有影響以及影響的大小次序，哪些因素影響較小或沒(méi)有影響；根據(jù)因素對(duì)指標(biāo)影響的大小次序，來(lái)選擇對(duì)指標(biāo)有利的因素。

極差法的的數(shù)據(jù)處理方法是把與各因素有關(guān)的結(jié)果相加得出之和或者平均值，以單個(gè)水平為單位，分別填入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，然后每個(gè)因素下不同水平的和或者平均值進(jìn)行極差R，對(duì)比極差數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，得出各因素對(duì)切削噪聲的影響大小并按大小進(jìn)行順序排列，按照此數(shù)據(jù)處理的方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差處理如表3所示。

表3 極差分析表

從極差分析表3中可以得出Rd＞Rn＞Rf＞Rap，因此各因素對(duì)切削噪聲的貢獻(xiàn)大小依次為裝夾高度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和背吃刀量。

3.4 方差分析

方差分析又稱F 檢驗(yàn)，用于推斷多個(gè)總體均數(shù)有無(wú)差異，我們采用多因素方差分析不僅能夠分析多個(gè)因素對(duì)觀測(cè)變量的獨(dú)立影響，更能夠分析多個(gè)控制因素的交互作用能否對(duì)觀測(cè)變量的分布產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而最終找到利于觀測(cè)變量的最優(yōu)組合。其中F的計(jì)算為：因素差方和比因素自由度（Q因/f因）與試驗(yàn)誤差差方和比試驗(yàn)誤差自由度（Qe/fe因）。

如果正交表各列上均有因素，沒(méi)有空白列,此時(shí)進(jìn)行方差分析需要遵循當(dāng)正交表中沒(méi)有一個(gè)偏差平方和明顯偏小時(shí)，可將正交表各因素中幾個(gè)最小的偏差平方和相加作為誤差平方和，將他們所對(duì)應(yīng)的自由度相加作為誤差平方和的自由度。

對(duì)因素進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，給出檢驗(yàn)水平α（置信度），從F分布表中查找臨界值Fα（f因，fe），將其與上述計(jì)算出的F值比較，數(shù)差越大說(shuō)明顯著性越大，一般的規(guī)律為：F＞F0.01，說(shuō)明影響高度顯著記為***；F0.01＞F＞F0.05，說(shuō)明影響顯著記為**；F0.05＞F＞F0.1，說(shuō)明有影響但不顯著記為*；F＜F0.1說(shuō)明沒(méi)有影響但不做記號(hào)。

實(shí)驗(yàn)為4因素5水平正交實(shí)驗(yàn)L25（54），由表4可以得出正交表中有一個(gè)平均偏差平方和明顯偏小，則用背吃刀量ap偏差平方和作為誤差平方和，其所對(duì)應(yīng)的自由度作為誤差平方和的自由度[9]。

由方差分析得Fd＞Fn＞Ff，各因素對(duì)切削噪聲影響的顯著性大小依次為裝夾高度、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，背吃刀量在該實(shí)驗(yàn)中對(duì)切削噪聲基本沒(méi)有影響。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析可以得出各個(gè)因素對(duì)噪聲大小的影響，根據(jù)模態(tài)幅度與激擾力之間的近似模態(tài)函數(shù)關(guān)系，假設(shè)將裝夾高度與振動(dòng)關(guān)聯(lián)在一起，在裝夾高度上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，電極的裝夾高度跟夾具高度、刀具伸出長(zhǎng)度和毛坯本身長(zhǎng)度有關(guān)系，其中夾具高度可以用更換夾具的方法改變。利用優(yōu)化后的電極專用夾具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。

圖4 電極裝夾示意圖

表4 方差分析

按照原有的切削參數(shù)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，通過(guò)與原來(lái)的噪聲進(jìn)行對(duì)比，可以得出，噪聲在一定范圍內(nèi)有所降低，跟之前工件本身的高度對(duì)比基本上沒(méi)有太大變化，可通過(guò)多次切削實(shí)驗(yàn)找到裝夾高度與振動(dòng)之間的關(guān)系，利用模態(tài)函數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，為找出其線性關(guān)系提供參考[10]。

5 結(jié)語(yǔ)

采用L25（54）正交實(shí)驗(yàn)在主軸轉(zhuǎn)速吃刀量10 000 r/min～18 000 r/min、進(jìn)給速度1 000 mm/min～1 400 mm/min、背0.05 mm～0.17 mm和裝夾高度30 mm～110 mm 下對(duì)電極加工進(jìn)行噪聲測(cè)試，研究上述四個(gè)參數(shù)對(duì)噪聲的影響，在保證零件精度的同時(shí)對(duì)加工環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，為作業(yè)人員創(chuàng)造一個(gè)舒適的工作環(huán)境；同時(shí)還為數(shù)控加工切削參數(shù)的合理選擇提供一定的依據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析得出隨著各參數(shù)值的增大切削噪聲都有所增大,對(duì)切削噪聲的影響大小依次是裝夾高度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和背吃刀量。

（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析得出各個(gè)參數(shù)對(duì)切削噪聲影響的顯著性大小依次為裝夾高度、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，其中背吃刀量在該實(shí)驗(yàn)中對(duì)切削噪聲基本沒(méi)有影響。

（3）工件的裝夾高度是決定電極加工范圍的重要因素，它對(duì)整個(gè)切削環(huán)境的影響也最大：裝夾高度越高，產(chǎn)生的噪聲值越大，工件的表面質(zhì)量越差，反之越好，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析得出在保證設(shè)計(jì)要求的條件下優(yōu)先選擇裝夾高度，再根據(jù)切削噪聲值大小選擇合理的切削參數(shù)。

通過(guò)對(duì)超高速切削加工電極產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行分析，后續(xù)研究可以建立噪聲數(shù)值與影響電機(jī)加工參數(shù)建立相應(yīng)的線性關(guān)系，根據(jù)噪聲數(shù)值大小來(lái)判斷切削參數(shù)是否合理，從而實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)的快速優(yōu)化，為技術(shù)人員合理選擇參數(shù)提供參考。