邱國(guó)生 楊云祥 趙河 姬坤

【摘要】在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域，鑄鐵工件的銑削加工過(guò)程十分普遍，本文采用故障樹(shù)分析方法，對(duì)主要原因采用沖擊振動(dòng)實(shí)驗(yàn)法得到夾具和主軸系統(tǒng)的頻響函數(shù)，檢查機(jī)械系統(tǒng)的正確性，同時(shí)對(duì)伺服進(jìn)給控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查，使得其控制系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)，然后針對(duì)盤(pán)銑刀加工發(fā)動(dòng)機(jī)缸體頂面的自激振動(dòng)進(jìn)行頻譜研究，得到過(guò)程振動(dòng)頻譜和大小規(guī)律，刀具耐用度的影響規(guī)律以及對(duì)表面幾何精度[1]加工質(zhì)量的影響規(guī)律。最后成功的找到本案例中面銑生產(chǎn)率低的根本原因。

【關(guān)鍵詞】鑄鐵；銑刀壽命；頻響函數(shù)；自激振動(dòng)

灰鑄鐵具有成本低廉，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，鑄造和切削加工性能良好，且具有很高的耐磨減摩性、消振性以及較低的缺口敏感性等，是機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的重要材料之一，福田康明斯ISF3.8L系列發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體采用的就是鑄鐵材料，對(duì)于銑頂面工序，我們采用的是德國(guó)MAG專機(jī)，加工方式采用高速斷續(xù)切削；X軸與Y軸進(jìn)給控制采用的是西門(mén)子611U伺服控制系統(tǒng)；

目前該設(shè)備在單班加工1500件左右時(shí)，刀具急劇磨損、掉渣，刀具在切削灰鑄鐵時(shí)產(chǎn)生的崩碎切屑碎片及脫落的碳化物硬質(zhì)點(diǎn)引起工件表面和后刀片研磨作用導(dǎo)致后刀面磨料磨損，后刀面一旦磨損后其發(fā)熱效果明顯，切削溫度明顯升高，同時(shí)尺寸不合格，加工質(zhì)量不穩(wěn)定，只能通過(guò)換刀具解決問(wèn)題，頻繁換刀嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)和制造成本；

主要原因表現(xiàn)在顫振[2]，即加工過(guò)程中的自激振動(dòng)[3]導(dǎo)致較大的切削力、振動(dòng)位移，刀具壽命及加工表面精度[4]降低。

1、故障樹(shù)分析

故障樹(shù)分析是一種描述事故因果關(guān)系的有方向的"樹(shù)"，是系統(tǒng)安全工程中的重要的分析方法之一，他能對(duì)各種系統(tǒng)的危險(xiǎn)性進(jìn)行識(shí)別評(píng)價(jià)，既適用于定性分析，又能進(jìn)行定量分析，具有簡(jiǎn)明，形象化的特點(diǎn)，體現(xiàn)了以系統(tǒng)工程方法研究安全問(wèn)題的系統(tǒng)性，準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)性。它是一種從系統(tǒng)到部件，再到零件，按“下降形”分析的方法。也可以用來(lái)分析零件、部件或子系統(tǒng)故障對(duì)系統(tǒng)故障的影響，其中包括人為因素和環(huán)境條件等在內(nèi)。

2、主軸及夾具系統(tǒng)的穩(wěn)定性測(cè)量

主軸系統(tǒng)刀尖點(diǎn)和夾緊狀態(tài)下的工件頻響函數(shù)是衡量和評(píng)價(jià)機(jī)床切削穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，是優(yōu)化機(jī)床加工工藝、評(píng)價(jià)機(jī)床動(dòng)態(tài)特性以及綜合性能的依據(jù)。

獲得頻響函數(shù)的方法一般可以分為理論法和試驗(yàn)法兩種。理論法是以某種理論（例如有限元法等）為依據(jù)，根據(jù)主軸和夾具系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)建立其動(dòng)力學(xué)分析模型，利用Ansys或是Matlab等軟件分析或仿真得到頻響函數(shù)的方法。試驗(yàn)法是指針對(duì)實(shí)際的機(jī)床主軸和夾具系統(tǒng)，利用振動(dòng)試驗(yàn)，一般采用錘擊法來(lái)獲得刀盤(pán)和工件與夾具的頻響函數(shù)。

2.1夾具的頻響函數(shù)

首先介紹下頻響函數(shù)（傳遞函數(shù)）相關(guān)信號(hào)處理知識(shí)。

通過(guò)圖2頻響函數(shù)及其對(duì)應(yīng)的相干函數(shù)我們可以得出：由于錘頭過(guò)硬，導(dǎo)致低頻相干不是很好，相干函數(shù)整體表現(xiàn)不錯(cuò)，在整個(gè)分析頻域?qū)⑾到y(tǒng)激勵(lì)起來(lái)，相干函數(shù)顯示結(jié)果可以接受，試驗(yàn)結(jié)果可信且低頻處沒(méi)有產(chǎn)生共振峰值，在1.5kHz后面，產(chǎn)生共振最大峰值；

2.2刀盤(pán)的頻響函數(shù)

同樣FFT采用5次線性平均的方法得到相應(yīng)的相干函數(shù)和頻響圖：

通過(guò)圖3頻響函數(shù)及其對(duì)應(yīng)的相干函數(shù)我們可以得出：由于錘頭過(guò)硬，導(dǎo)致低頻相干不是很好，相干函數(shù)整體表現(xiàn)不錯(cuò)，力在整個(gè)2.5kHZ內(nèi)衰減不大，在整個(gè)分析頻域?qū)⑾到y(tǒng)激勵(lì)起來(lái)，相干函數(shù)顯示結(jié)果可以接受，試驗(yàn)結(jié)果可信且低頻處沒(méi)有產(chǎn)生共振峰值；

通過(guò)對(duì)加工過(guò)程的速度頻譜（圖4）進(jìn)行分析，可以看出，高頻處沒(méi)有產(chǎn)生較大的振幅；

不需要進(jìn)行模態(tài)分析，僅通過(guò)簡(jiǎn)單的頻響函數(shù)測(cè)量，排除了共振對(duì)刀具磨損影響，對(duì)生產(chǎn)率低的貢獻(xiàn)；

3、伺服控制系統(tǒng)的測(cè)試

機(jī)床采用西門(mén)子611U伺服控制系統(tǒng)，我們對(duì)X，Y軸進(jìn)給控制進(jìn)行參考頻率響應(yīng)測(cè)試，如下：

通過(guò)圖5觀察，我們可以得到：

1.響應(yīng)帶寬遠(yuǎn)大于200Hz。

2.響應(yīng)帶寬內(nèi)，增益水平?jīng)]有超過(guò)10dB。

此部分可以得出，伺服控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)和生產(chǎn)率低的原因沒(méi)有產(chǎn)生貢獻(xiàn)；

4、加工頻譜測(cè)量

刀具參數(shù)及加工質(zhì)量要求如下：

此盤(pán)銑刀直徑為315mm，均布40個(gè)刀片，材料為立方氮化硼（CBN），中性切削，前角為0°，32個(gè)切削刃，8個(gè)修光刃。

刀盤(pán)與刀片在出廠時(shí)裝配后保證配合精度，達(dá)到端面切削刃跳動(dòng)為0.025mm以內(nèi)，修光刃跳動(dòng)為0.003mm以內(nèi)，總體徑向跳動(dòng)0.06mm以內(nèi)，相鄰齒跳動(dòng)0.03mm以內(nèi)；

加工質(zhì)量要求為：粗糙度Rz小于15um，波紋度小于12.5um，局部平面度小于25um/25mm×25mm，整體平面度小于75um；

通過(guò)進(jìn)一步觀察刀片磨損情況來(lái)看，修光刃磨損情況較為嚴(yán)重，為沖擊導(dǎo)致掉渣，而切削刃為帶狀摩擦。

根據(jù)圖7中刀具磨損狀況，可以看出修光刃的徑向跳動(dòng)整體高于切削刃徑向跳動(dòng)，參與切削過(guò)程，導(dǎo)致磨損嚴(yán)重，故我們?cè)谡{(diào)刀的時(shí)候記錄了徑跳數(shù)據(jù)：

刀盤(pán)2的修光刃徑向跳動(dòng)明顯低于到刀盤(pán)1的跳動(dòng)，且刀盤(pán)2的加工件數(shù)明顯高于刀盤(pán)1，可以證明刀盤(pán)和刀片之間的配合尺寸十分關(guān)鍵，進(jìn)一步對(duì)刀盤(pán)2修光刃徑向跳動(dòng)值低于切削刃的加工進(jìn)行頻譜分析：

此部分可以看出，當(dāng)修光刃的徑向跳動(dòng)低于切削刃時(shí)，修光刃的磨損降低，且生產(chǎn)效率明顯提高，可見(jiàn)，由于刀盤(pán)與刀片間配合不好造成修光刃的狀態(tài)差是影響生產(chǎn)率低的主要原因。

5、結(jié)論

截至目前為止，針對(duì)本案例，我們采用故障樹(shù)分析方法對(duì)盤(pán)銑刀加工發(fā)動(dòng)機(jī)缸體頂面的生產(chǎn)效率低進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1.分析出MAG加工機(jī)床的主軸與夾具（夾緊工件下）系統(tǒng)的固有屬性；

2.伺服系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)生產(chǎn)效率沒(méi)有影響；

3.刀具的修光刃徑向跳動(dòng)對(duì)加工質(zhì)量，刀具壽命和生產(chǎn)效率有著顯著影響；

在盤(pán)銑刀加工過(guò)程中，雖然機(jī)床及刀具廠家對(duì)刀具的端面跳動(dòng)及徑向跳動(dòng)有整體要求，但是控制修光刃相對(duì)于切削刃的徑向跳動(dòng)使得整體加工自激力大幅減小，振動(dòng)減弱，刀具壽命明顯提高。

參考文獻(xiàn)

[1]史定華.故障樹(shù)分析技術(shù)方法和理論[M].北京師范大學(xué)出版社， 1993.

[2]謝德金，徐紹原，趙連瑞.強(qiáng)力銑削時(shí)硬質(zhì)合金端銑刀切削用量及幾何參數(shù)對(duì)耐用時(shí)間的影響[J].機(jī)床與工具， 1955（9）.

[3]李欣，李亮，何寧.過(guò)程阻尼對(duì)銑削系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[J].振動(dòng)與沖擊，2014，33（9）：16-20.

[4]郭鐵能，李玲，蔡力鋼，劉志峰，趙永勝.基于頻響函數(shù)辨識(shí)機(jī)械結(jié)合部動(dòng)態(tài)參數(shù)的研究[J].振動(dòng)與沖擊， 2011， 30（5）：69-72.