王晨羽，范鵬飛，李金泉

(沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

在切削加工過程中，影響切削振動的因素很多，對切削加工性能以及工件表面質(zhì)量影響最大的是刀具相對于工件的振動，機床其他部位的振動也會體現(xiàn)在刀具的振動上，刀具角度、刀具材料、工件材料、切削用量對刀具的振動都有很大的影響.關于切削用量對切削振動的影響，國內(nèi)外學者做了大量研究.吳衛(wèi)國研究了高速切削過程的自激振動，探討切削用量對切削穩(wěn)定性的影響并提出了提高切削穩(wěn)定性的方法和途徑[1].Zahia H等通過改變切削參數(shù)，利用刀具振動變化對表面粗糙度進行了研究[2].周培培等通過正交試驗分析切削用量對振動的影響，得到了合適的切削用量[3].李威霖采用切削振動信號監(jiān)測刀具磨損[4].Ning F D等對高溫鎳基合金進行了高速銑削試驗，在切削速度達到生成鋸齒形切屑的臨界值時，切削抗力最小，同時切削對刀具沖擊的頻率下降，切削力波動和切削振動也顯著減小，但這種情況存在預報準確性差、誤報等缺陷[5].本文通過干式車削材料TC4和TA15實驗，運用單因素實驗法，對振動信號進行采集、降噪和數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)研究切削用量各因素單獨變化對切削振動的影響.

1 實 驗

1.1 材料和刀具

(1)實驗加工材料是TA15和TC4的圓柱形棒料.它們的直徑為100 mm，長度為300 mm.材料成分如表1所示.

表1 實驗材料成分 %

注：TA15材料的屈服強度為850 MPa；TC4材料的屈服強度為880 MPa.

(2)實驗采用山特維克公司的PVD涂層刀片，其刀片型號為CCMT09T308-MF1105，刀桿型號為SCACR1616H09，刀具前角為0°，后角為7°，刀尖圓弧半徑為0.8 mm，主偏角為95°，刃傾角為0°.

1.2 實驗設備

實驗用加工機床的型號為CA6140，床身回轉直徑為400 mm，刀架上回轉直徑210 mm，主軸中心至床身平面導軌距離為205 mm，刀架可裝夾刀桿厚度小于25 mm的刀具.

采集振動數(shù)據(jù)使用北京東方振動噪聲研究所開發(fā)的DASP軟件.數(shù)據(jù)采集卡型號為NI9234，加速度傳感器型號為DYTRAN(3035B#)，采樣頻率設置為25 000 Hz，應用傳感器類型為ICP(Industry Personal Computer).

1.3 實驗方法

為了獲取切削用量各因素對切削振動的影響規(guī)律，本實驗采用單因素實驗法.單因素實驗法的特點在于只改變單一因素而其他因素不變，研究某一因素對指定目標的影響規(guī)律.

根據(jù)高速車削加工鈦合金生產(chǎn)實際，結合現(xiàn)有設備確定切削用量范圍，共設計了16組切削實驗方案(表2).其中：1～6組為進給量(f=0.20 mm/r)和切削深度(ap=0.20 mm)保持不變，而切削速度vc逐漸增大的實驗方案；7～11組為切削速度(vc=98.14 m/min)和切削深度(ap=0.20 mm)不變，進給量逐漸增大的實驗方案；12～16組為切削速度(vc=98.14 m/min)和進給量(f=0.20 mm/r)不變，切削深度逐漸增大的實驗方案.

表2 單因素實驗方案

根據(jù)文獻[6]，鈦合金的加工效率和質(zhì)量較差，推薦使用的切削速度為30～50 m/min；切削速度超過60 m/min時，加工過程變得困難；切削速度達到100 m/min時即認為已進入高速切削范圍.

1.4 切削振動信號的處理

1.4.1 信號的降噪

考慮到實際加工時采集的信號含有干擾頻率，會發(fā)生畸變、幅度衰落或者相位偏移，使誤碼率增加，信號失真，可采用五點三次平滑法[7]對切削振動原始數(shù)據(jù)進行降噪處理.五點三次平滑法公式如下：

式中：i=(3,4…,m-2)；m為循環(huán)次數(shù)；x為被處理數(shù)據(jù)；y為處理結果.

1.4.2 切削振動信號的均方根值

實驗測得的電信號存在誤差，分析時域信號時運用均方根值法能夠讓誤差變小.均方根值(RMS)也稱為有效值，它的計算方法是先平方，再平均，然后開方[8].信號處理前需要確定采樣頻率，因為沒有采樣頻率就求不出切削振動的均方根值.

本實驗設定的采樣頻率為25 000 Hz，每隔1/25 000 s 就會測得一個切削振動加速度點.把整個時域上加速度點的值平方并相加，取平均值后再開平方，得到的值就是切削振動有效值(表3).

2 結果與分析

2.1 切削速度對切削振動的影響

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，選擇相同的進給量和切削深度 (f=0.20 mm/r,ap=0.20 mm)，改變切削速度(vc=30.42 m/min、49.76 m/min、77.40 m/min、98.14 m/min、124.41 m/min、138.23 m/min)，切削TA15和TC4兩種材料.切削振動加速度隨切削速度的變化曲線如圖1所示.

表3 切削TC4、TA15材料的切削振動有效值

圖1 切削振動加速度隨切削速度的變化曲線

由圖1可知，隨著切削速度的上升，材料TA15與TC4的切削振動加速度曲線變化總體趨勢均是先上升，到達一個峰值后下降，然后又回升.兩種材料在切削速度為30.42～77.40 m/min 時，切削振動加速度有效值隨著切削速度的增加而增加.分析可知，在切削過程中隨著速度的上升，鈦合金的塑性變形增大，金屬變形區(qū)的切應力增大，加工硬化程度加大，金屬晶格歪曲嚴重，合金的硬度加強[9]；同時，隨著切削速度的增大，刀具與工件的摩擦加劇，這兩方面原因?qū)е碌毒咔邢鲿r阻力變大，切削振動加速度變大.切削速度在77.40～98.14 m/min時，材料TA15和TC4的軸向和切向切削振動加速度均隨著切削速度的增大而逐漸變小.較高的切削速度使材料的熱軟化作用超過了塑性變形，在第一變形區(qū)發(fā)生突變滑移和絕熱剪切，切削區(qū)的應變硬化來不及發(fā)生，切屑引起的阻力在臨近高速切削時隨速度的提高而下降，刀具的振動加速度也隨之下降.切削速度在98.14～124.41 m/min 時，切向的切削振動加速度隨切削速度增大而變化的趨勢與軸向略有不同，材料TA15切向振動加速度變化趨勢為上升，而其軸向振動加速度和TC4的兩種振動加速度變化趨勢卻為下降.其原因在于實驗刀具刃傾角與前角的角度為零，切削速度大于98.14 m/min時，切向的切削振動加速度受切屑形態(tài)變化的影響比受切削用量變化的影響大.切削速度超過124.41 m/min 時，材料TA15和TC4的切向切削振動加速度上升，其原因是切削速度過快，導致刀具磨損加劇，刀具磨損后實際前角變小,進給方向的切削振動持續(xù)增大，而垂直于進給方向的切削力發(fā)生變化進而影響切削振動，使切削振動加速度上升，但軸向切削振動受到刀具磨損的影響不大.因此，在切削加工時，為降低切削振動對切削加工的影響，可限制最大切削速度參數(shù)值，使其避免超過某個臨界值，從而減小切削振動.

2.2 進給量對切削振動的影響

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，選擇相同的切削速度和切削深度(vc=98.14 m/min，ap=0.20 mm)，改變進給量(f=0.10 mm/r、0.15 mm/r、0.20 mm/r、0.24 mm/r、0.30 mm/r)，切削TA15和TC4兩種材料.切削振動加速度隨進給量的變化曲線如圖2所示.

由圖2可知，隨著進給量增大，材料TA15與TC4的軸向和切向切削振動加速度均增大.其原因是進給量增大，材料切削層面積增大，切削過程中變形抗力和摩擦力都增大，進而導致切削振動加速度的增大.當進給量增加到0.15 mm/r后，隨著進給量的繼續(xù)增大，相同進給量下的TC4切削振動加速度比TA15切削振動加速度大.

圖2 切削振動加速度隨進給量的變化曲線

2.3 切削深度對切削振動的影響

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，選擇相同的切削速度和進給量(vc=98.14 m/min，f=0.20 mm/r)，改變切削深度(ap=0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm、0.30 mm、0.40 mm)，切削TA15和TC4兩種材料.切削振動加速度隨切削深度的變化曲線如圖3所示.

從圖3可知，切削深度為0.15～0.20 mm時，隨著切削深度的增大，材料TA15和TC4的切削振動加速度也增大；當切削深度為0.20～0.25 mm時，隨著切削深度的增大，兩種材料的切削振動加速度均變小；當切削深度大于0.25 mm后，兩種材料的切削振動加速度均隨著切削深度的增大而增大.分析認為，增大切削深度會直接導致切削面積增大，而切削面積對切削振動的影響顯著，切削面積越大，則切削振動越大.因此，隨切削深度的增大，切削振動加速度的總體變化趨勢為上升；切削深度增大時，材料變形更劇烈，切削振動加速度的波動更大.

切削振動與切削深度有密不可分的關系，切削過程中發(fā)生振動時，切削振動加速度隨著切削深度的增大而愈加激烈.當切削深度到達某個限度時，切削振動加速度反而減小.因此，現(xiàn)實生產(chǎn)中可通過減小切削深度或者限制最大切削深度來減弱切削振動.

圖3 切削振動加速度隨切削深度的變化曲線

3 結 論

(1)在切削速度為30.42～77.40 m/min時，隨著切削速度的上升，材料TA15與TC4的切削振動加速度也上升；當切削速度增大到77.40 m/min時，切削振動加速度達到峰值；當切削速度超過124.41 m/min時，兩種材料的切向切削振動加速度因刀具磨損而再次增大.

(2)切削振動加速度隨著進給量的增大而增大.

(3)切削振動加速度先隨著切削深度的增大而增大，當切削深度達到某個臨界值時，切削振動加速度開始減?。划斍邢魃疃却笥?.25 mm時，兩種材料的切削振動加速度均隨著切削深度的增大而增大.

參考文獻:

[1] 吳衛(wèi)國. 高效精密切削及其振動特性的研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2007.

[2] Zahia H,Ahmed B,Mohamed A Y,et al.On the prediction of surface roughness in the hard turning based on cutting parameters and tool vibrations[J]. Measurement，2013(5):1671-1681.

[3] 周培培,李金泉,許立福,等.TA15鈦合金切削振動與表面質(zhì)量關系研究[J].工具技術,2016,50(5):21-25.

[4] 李威霖. 車銑刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測及預測關鍵技術研究[D].成都：西南交通大學,2013.

[5] Ning F D,Wang F J,Jia Z Y,et al. Chip morphology and surface roughness in high-speed milling of nickel-based superalloy inconel718[J].International Journal of Machining and Machinability of Materials,2014,15(3-4):285-299.

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[8] 王 濟,胡 曉.MATLAB在振動信號處理中的應用[M].北京:中國水利水電出版社，2006.

[9] 范鵬飛,李金泉,周培培.TC4和TA15切屑形態(tài)對振動影響的實驗研究[J].成組技術與生產(chǎn)現(xiàn)代化,2016,33(4):41-44.