谷月　李洋　陳根偉　龐靚婧　李明震

摘 要：文章主要闡述了應(yīng)用小波分析銑削振動(dòng)信號(hào)特征是如何對(duì)ZAlSi5Zn1Mg零件表面粗糙度造成影響的，從而可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論來(lái)減小甚至消除這種影響，最終達(dá)到表面粗糙度預(yù)測(cè)的目的，以便能夠控制銑削表面粗糙度。文章將先應(yīng)用正交分析對(duì)粗糙度數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析建模，然后應(yīng)用小波分析，通過(guò)觀察頻譜和粗糙度之間的相關(guān)性得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞：銑削振動(dòng)；小波分析；粗糙度

中圖分類號(hào)：TG54 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）04-0071-03

Abstract： This paper mainly describes how wavelet analysis of milling vibration signal features affect the surface roughness of ZAlSi5Zn1Mg parts. According to the experimental results， this influence can be reduced or even eliminated， and finally the prediction of surface roughness can be achieved， so that the milling surface roughness can be controlled. In this paper， we first use orthogonal analysis to analyze and model the roughness data， and then we use wavelet analysis to get a conclusion by observing the correlation between the spectrum and roughness.

Keywords： milling vibration； wavelet analysis； roughness

1 概述

小波分析在信號(hào)分析和處理領(lǐng)域很重要，在日常生產(chǎn)實(shí)踐以及科學(xué)研究中的應(yīng)用也是越來(lái)越廣泛，因此需要深入理解小波分析以便于應(yīng)用到實(shí)際研究中。小波即是小的波形，將頻譜的局部化進(jìn)行分析，在科學(xué)領(lǐng)域，頻域分析中，傅里葉變換可以稱為是一項(xiàng)革命性的突破，而小波分析是繼它以來(lái)的又一項(xiàng)重大突破，在科學(xué)方法上具有里程碑式的重要意義，它被謬贊為“數(shù)學(xué)顯微鏡”，是在許多學(xué)科領(lǐng)域中發(fā)展非?？焖俚囊粋€(gè)新領(lǐng)域，最重要的就是圖像分析處理和信號(hào)分析處理。例如，本實(shí)驗(yàn)就應(yīng)用到小波分析，應(yīng)用小波分析振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)，將之與粗糙度聯(lián)系，分析得到振動(dòng)特點(diǎn)對(duì)粗糙度的影響。再例如，汽船、機(jī)床、飛機(jī)等機(jī)械在運(yùn)行時(shí)，無(wú)論是整機(jī)還是零件，當(dāng)應(yīng)用小波分析對(duì)噪音加以分析后，能夠找出故障并進(jìn)行診斷修復(fù)，這樣不僅可以排除一般的故障，還可以方便地排除潛在故障，保證機(jī)械安全運(yùn)行[1]。無(wú)線應(yīng)用需要用到小波分析，因?yàn)闊o(wú)線應(yīng)用中無(wú)線通信就是各種信號(hào)的傳播應(yīng)用，而且小波分析可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，這樣在對(duì)設(shè)備進(jìn)行安裝調(diào)試的時(shí)候更加便利，同時(shí)也可以應(yīng)用在維護(hù)設(shè)備和對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障分析；在對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行故障診斷，小波分析都會(huì)起到不可忽視的作用，這樣，在設(shè)備維修時(shí)更加便利，也可方便地解決動(dòng)平衡問題[2]。可見，小波分析的應(yīng)用非常之廣泛。與傅里葉相比，F(xiàn)ourier變換只能告訴我們信號(hào)尺度的范圍，而無(wú)法給出信號(hào)的結(jié)構(gòu)以及它蘊(yùn)含的大小不同尺度的串級(jí)過(guò)程，即傅里葉變換在時(shí)空域中沒有任何分辨率。此外，傅立葉分析無(wú)法解決信號(hào)奇異性的位置。而小波分析能成功地解決這些問題。因此小波分析是Fourier分析發(fā)展史上的一個(gè)里程碑[3]。

高速銑削技術(shù)是機(jī)械制造領(lǐng)域典型代表，正逐漸成為切削技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的主流技術(shù)。在航空制造業(yè)中，無(wú)論零部件大小，很多都是直接從材料整件切削而制成，尤其是一些薄壁件，材料去除率非常高，達(dá)到90%以上，高速銑削加工不僅能使加工效率提高，并且還可以使振動(dòng)得到有效抑制，達(dá)到更好的加工質(zhì)量。由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用[4]。

對(duì)零件進(jìn)行銑削加工時(shí)，不同組合的銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響很大，因此需要選取優(yōu)異的參數(shù)組合或者優(yōu)化銑削參數(shù)，以此保證得到較好的表面粗糙度，從而保證表面加工質(zhì)量。從第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)至今，銑削技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了八代改革，每一次改革，對(duì)銑削技術(shù)的發(fā)展都是巨大的推動(dòng)，如早在1958年已經(jīng)可以做到自動(dòng)更換刀具，進(jìn)行多工序加工，如今早已能夠做到無(wú)人化了，數(shù)控機(jī)床的控制和系統(tǒng)性能已經(jīng)越來(lái)越完善和增強(qiáng)了。隨著高速銑削技術(shù)的快速推廣和廣泛應(yīng)用，使高速銑削的表面粗糙度成為人們研究的新方向。

關(guān)于表面粗糙度預(yù)測(cè)的研究大都集中在車削方面，而針對(duì)銑削加工的表面粗糙度預(yù)測(cè)的研究還較少。一些發(fā)達(dá)國(guó)家最先對(duì)高速銑削加工中的表面粗糙度進(jìn)行了較為深入的研究，V.A.Tipnis，S.C.Buescher[5]等人主要研究了影響高速車削和高速球頭銑削時(shí)被加工件表面粗糙度的主要銑削參數(shù)，理論和試驗(yàn)都證明表面粗糙度值隨進(jìn)給速度或徑向切深的增大而增大，隨切削速度的增大而減小。K. Y. Lee[6]等提出一種模擬表面粗糙度的方法，并考慮在高速銑削過(guò)程中主軸變形和振動(dòng)對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生的影響，建立精確表面粗糙度預(yù)測(cè)模型，歸納了主軸的變形及振顫對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律。B. H. Kim、Noriyuki Koreta等[7]研究了幾種具體的銑削參數(shù)組合對(duì)表面粗糙度及表面殘余應(yīng)力的影響。分析了高速銑削加工中表面粗糙度的生成過(guò)程，理論研究了表面加工形貌的形成機(jī)理，給出一種更高效方便的預(yù)測(cè)表面粗糙度方法。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

（1）鑄鋁合金ZAlSi5Z1Mg 本實(shí)驗(yàn)所使用的鋁合金材料為鑄鋁合金ZAlSi5Z1Mg，在淘寶上購(gòu)買的，大小是200mm*200mm*10mm。該合金代號(hào)為ZL115，是一種含有銻、硅、鎂和鋅等多種金屬的合金。既具有良好的鑄造性能，也有優(yōu)良的抗腐蝕性，還擁有較高的強(qiáng)度和塑性。它的抗拉強(qiáng)度超過(guò)275兆帕，伸長(zhǎng)率大于等于百分之六，硬度也超過(guò)80HBS，是一種應(yīng)用廣泛的鋁合金。endprint

（2）銑刀本實(shí)驗(yàn)所使用的銑刀為平頭銑刀，型號(hào)為4*4D*3T*50L的銑刀3把，型號(hào)為8*8D*3T*50L的銑刀一把，淘寶上可以購(gòu)買到。（實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于切削速度較高，切削速度在1000到4000轉(zhuǎn)每分鐘，已繃斷3把銑刀）。平頭銑刀主要用于粗銑，一般要銑掉大量毛胚材料，銑削比較粗略。一般只能進(jìn)行小面積的精銑。

（3）數(shù)控機(jī)床本實(shí)驗(yàn)所采用的數(shù)控機(jī)床為VCM-850立式加工中心。

（4）測(cè)振儀本實(shí)驗(yàn)所使用的測(cè)振儀為便攜式測(cè)振儀，型號(hào)是HV30，內(nèi)存大，可以記錄大量測(cè)量數(shù)據(jù)和頻譜圖，還可以對(duì)頻譜圖進(jìn)行分析，同時(shí)又有USB接口，配備有專門的計(jì)算機(jī)軟件EDM軟件進(jìn)行分析。

銑削鑄鋁合金時(shí)，首先確定切削方案，銑削方案決定了加工后樣品的表面加工質(zhì)量，因此選擇合理優(yōu)異的加工方案是很重要的。本實(shí)驗(yàn)選取加工參數(shù)變量為切削深度（mm），主軸轉(zhuǎn)速（r/min），進(jìn)給量（mm/min）。切削方案采取單因素法，在切削深度，進(jìn)給量，主軸轉(zhuǎn)速三者之間，控制兩個(gè)量不變，改變另一個(gè)量進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，得到切削樣品，進(jìn)而進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。表1選取的參數(shù)。

2.2 測(cè)量并記錄表面粗糙度

實(shí)驗(yàn)的下一步就是測(cè)量表面粗糙度，目前實(shí)驗(yàn)室中有很多高端表面粗糙度測(cè)量?jī)x，但由于本實(shí)驗(yàn)中樣板被切削后有形狀限制，我們使用了手持式接觸測(cè)量?jī)x。測(cè)量之前，需要做好一些準(zhǔn)備：首先是開機(jī)檢查電池電壓是否正常；然后便是檢測(cè)校準(zhǔn)儀器精度，與儀器配套的有一塊標(biāo)準(zhǔn)樣板，標(biāo)準(zhǔn)樣板粗糙度是給定的，把標(biāo)準(zhǔn)樣板放置在水瓶面，然后把粗糙度測(cè)量?jī)x放置在標(biāo)準(zhǔn)樣板上，這樣粗糙度測(cè)量?jī)x的探針便會(huì)自動(dòng)移動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，并在顯示器上顯示粗糙度值，將測(cè)量值與給定值對(duì)比，判斷儀器精度是否有所損害，若有損害則需要進(jìn)行校準(zhǔn)，若無(wú)，則可以直接進(jìn)行測(cè)量步驟，本實(shí)驗(yàn)檢測(cè)校準(zhǔn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)儀器比較精確，符合精度要求，因此不需要校準(zhǔn)過(guò)程，直接進(jìn)行對(duì)工件樣板的實(shí)際測(cè)量；第三步是正式測(cè)量，這一步需要擦拭工件表面，保證沒有異物或者污垢會(huì)影響實(shí)驗(yàn)測(cè)量，同時(shí)需要把樣板平鋪放置在水平度較高的平面上，最后將粗糙度測(cè)量?jī)x放置在工件表面需要測(cè)量的位置，讓觸針自動(dòng)測(cè)量，當(dāng)然，還需要記錄粗糙度值數(shù)據(jù)。以下表2是實(shí)驗(yàn)記錄的粗糙度值其中的一組，其他三組在此省略：

3 小波分析

轉(zhuǎn)速可以很大程度上提高加工效率。但是也不是轉(zhuǎn)速高就會(huì)好，轉(zhuǎn)速的增加會(huì)影響銑削力，使其高頻沖擊力變大，高頻分量增大。薄壁零件的加工，一定程度上主軸轉(zhuǎn)速會(huì)影響銑削力的大小，又對(duì)振動(dòng)的大小產(chǎn)生影響。下列是幾組有明顯趨勢(shì)的參數(shù)組合，其中只改變了主軸轉(zhuǎn)速。當(dāng)切削深度為1mm，進(jìn)給量為50mm/r時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速分別是1000，2000，2600和4000r/min時(shí)，應(yīng)用小波工具箱將信號(hào)進(jìn)行4層分解，得到分解后的圖像如圖1所示。

作出各振動(dòng)參特征量隨主軸轉(zhuǎn)速變化曲線圖如圖2所示。

可以看出，特征量的總體趨勢(shì)是呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)，而且有效值與標(biāo)準(zhǔn)差也幾乎為同一條曲線，但在主軸轉(zhuǎn)速為2600r/min時(shí)出現(xiàn)了跳躍式增加，說(shuō)明該點(diǎn)可能受到了外部影響造成銑削力過(guò)大產(chǎn)生大的振動(dòng)幅度，也可能由于該工藝參數(shù)下振動(dòng)頻率影響較大。有效值和標(biāo)準(zhǔn)差的變化，說(shuō)明改變主軸轉(zhuǎn)速振動(dòng)穩(wěn)定性發(fā)生變化，趨于不穩(wěn)定。平均值數(shù)值都在0附近，說(shuō)明整體振動(dòng)的范圍也不是很大。通過(guò)這幾組數(shù)據(jù)分析可以得出結(jié)論，振動(dòng)的特征量受主軸轉(zhuǎn)速影響較大，且主軸轉(zhuǎn)速增大其發(fā)展趨勢(shì)為先減小后增大的趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

素分析法分析不同銑削參數(shù)組合下粗糙度值得規(guī)律特征，并通過(guò)繪制了粗糙度值的折線圖，更加直觀的對(duì)比觀察出粗糙度值隨不同銑削參數(shù)變化的走勢(shì)，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)切削深度和進(jìn)給量不變時(shí)，當(dāng)進(jìn)給量在180mm/min以下時(shí)，粗糙度值隨主軸轉(zhuǎn)速的增大而先增大后減?。ㄟ_(dá)到3600r/min之后會(huì)減?。?，當(dāng)進(jìn)給量在180mm/min以上時(shí)，粗糙度值是隨之下降的。

（2）當(dāng)切削深度和主軸轉(zhuǎn)速不變時(shí)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在3600r/min以下時(shí)，當(dāng)進(jìn)給量變大，幅值隨著它的增大，表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到3600r/min以上時(shí)，粗糙度的趨勢(shì)是趨于平穩(wěn)的或者有輕微下降的趨勢(shì)。

（3）當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量不變時(shí)，粗糙度值隨切深增大而增大，這一條結(jié)論是比較穩(wěn)定的，但是這種增大很微小甚至可以說(shuō)曲線很平穩(wěn)，只有當(dāng)切深大于4時(shí)，才變得明顯。

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