數控機床動態特性優化高速加工3A21鋁合金的切削參數的實驗研究

曹彧

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471099)

高速加工技術是制造業中一項快速發展的高新技術，而且有很大應用潛力［1］。傳統定義上的高速加工是指利用較高的刀具轉速進行切削加工。由于高速加工能縮短加工時間，且能提高產品的表面質量［2］，該技術被廣泛應用于航空航天、模具、汽車以及其他領域［3-5］。然而，伴隨切削加工而來的一個嚴重問題就是顫振。

顫振是發生在切削過程中的一種強烈的自激振動，會嚴重制約切削效率，降低工件加工精度、損壞刀具甚至機床本身。目前，許多學者已經對加工過程中的顫振問題進行了廣泛的研究［6-9］。Li 等人使用仿真方法系統地分析了加工系統莫泰參數對顫振穩定域的影響，提出了峰谷比、葉瓣系數等概念及多模態系統中莫泰簡化的一般原則［8］。李忠群等人基于經典顫振穩定域分析方法，提出了直接用加工系數頻響函數快速構建穩定域葉瓣的方法［9］。本文采用一種實驗方法對高速加工3A21 鋁合金的切削參數穩定域進行了分析，并對所選參數進行了試切加工驗證。

1 實驗流程

利用“國防科技工業千臺數控機床增效工程”提供的數控機床動態特性信號采集處理系統、動力學特性測試分析系統，通過刀具與機床整體模態信號采集、數據傳函、模態分析，將模態參數進行仿真、優化，并根據不同加工特征選擇合適的切削參數進行仿真驗證［10］。應用研究流程圖如圖1 所示。

(1)利用動態特性測試分析系統對“機床-刀具系統”進行力錘沖擊實驗和模態分析，并在將模態分析結果導入顫振穩定與仿真系統中進行動力學仿真，得到刀具顫振穩定域圖形。

(2)以顫振穩定域圖為依據，選定優化的切削參數進行試切，對顫振穩定域所取參數進行驗證和修正，并記錄試切結果。

(3)對工件的典型情況采用實際加工驗證，進一步驗證參數優化后加工效果和加工效率。

2 應用研究內容

2.1 實驗條件

結合實際生產情況，機床選擇HSM500 高速加工中心，該機床主軸最高轉速40 000 r/min;刀具選擇φ12 mm 合金銑刀;加工材料為鋁合金3A21 H112;切寬ae分別為9、6、3、1 mm;銑削方式為順銑。

2.2 搭建實驗硬件系統

用電纜把沖擊力錘、加速度傳感器、數據采集器連接好，再將數據采集器與筆記本電腦用USB 連接線連接好，用膠泥將加速度計粘在刀尖上，完成實驗硬件系統搭建。實驗硬件系統示意圖如圖2 所示。

2.3 錘擊實驗

在實驗系統中設置好采樣頻率、分析頻率、敲擊次數等參數，把加速度計安裝在機床上的銑刀刀尖上，力錘在刀具的另一側，對刀具進行錘擊實驗得到響應數據。敲擊的力和響應的波形如圖3 所示。每次敲擊結束后，要特別注意力和響應時域波形效果的好壞，波形觸發部分應只有一個瞬態脈沖信號并伴有短暫衰減，非觸發部分應為一條橫線，且與0 軸重合。否則，需要重新敲擊。

2.4 傳函分析

根據錘擊實驗所得數據進行傳函分析，得到幅頻圖、相頻圖和相干系數，如相干系數在傳函幅頻圖曲線頂點處對應的值大于0.8，則表示得到的傳遞函數數值是可信的，否則說明有噪聲干擾，需重新進行錘擊實驗。

2.5 動力學仿真

在進行信號采集結束后，將傳函分析結果分別導入顫振穩定域仿真系統中，進行動力學仿真，以確定機床 刀具系統在特定加工環境下的顫振穩定域。設置轉速步長，最大、最小仿真轉速等仿真參數。當所有參數設置完畢，開始進行顫振穩定域仿真計算，仿真結束后得到仿真結果如圖4 所示。圖中的橫坐標為主軸轉速，縱坐標為臨界軸向切削深度，曲線上方為非穩定切削區域，曲線下方為穩定切削區域。

由此可看出，不同切寬條件下，顫振穩定域圖都為波形曲線圖，當主軸轉速取波峰上的值時，切削穩定的區域會增大，這樣可以相應地增大切削深度，以期提高材料去除率。當主軸轉速為某一個值，切削穩定的區域最大，這樣可選擇的切削深度最大，能最大限度地提高材料去除率。同時通過圖4 也可以看出，波形圖曲線在第4 個波峰處均出現形狀不規則現象，證明在錘擊實驗過程中，由于加速度計本身的重量，對刀具振動情況產生了一定影響。但在本次實驗中，受影響區域均為切深較大的區域，對高速加工的切削參數選擇影響較小，所以本次實驗所取得的結果依然為可靠數據。

3 數據驗證與結果分析

為了使優化所得到的參數更加切合實際生產，以顫振穩定域為基礎進行了實驗驗證。根據圖4 所示，以刀具切寬9 mm 為例，根據顫振穩定域圖選擇切削參數并進行驗證。在選擇試切參數時，注意如下原則:一是在較穩定的切削速度區域選擇3 種切深并對其作比較;二是要在同一切深水平，選擇不同的轉速(包含理論較穩定的轉速、臨界穩定轉速及顫振轉速)。試切點選擇情況如圖5 所示，試切參數選擇見表1。

表1 試切參數選擇表

根據選取的試切參數和試切點進行試切，試切情況及機床運行情況見表2。

由表2 的試切情況及機床運行情況得出試切結論:試切結果基本符合顫振穩定域曲線:

(1)轉速為12 500 r/min、切深為2.1 mm 時，在非穩定區，發生嚴重顫振，無穩定切削過程—F 點。

(2)轉速為14 500 r/min、切深為2.1 mm 時，趨于顫振臨界值，此切削條件下容易發生顫振—C 點。

(3)轉速為12 500 r/min、11 000 r/min，切深為1.3 mm 時，為顫振臨界值，發生輕微顫振，無穩定切削過程—D 點、G 點。

(4)轉速為14 500 r/min 和16 500 r/min，切深為1.3 mm 時，在穩定區，切削穩定，表面質量好—B、E 點。

表2 試切情況及機床運行情況

(5)在穩定區域選擇的切削參數切削情況穩定，趨近臨界區，切削質量變差。

(6)由圖4 可見，隨著切寬減小，主軸轉速穩定域無明顯變化，穩定切深隨之加大，因此，同理可得其他切寬條件下的優化參數值。

根據顫振穩定域圖形選擇切削參數時，應特別注意切削力、切削速度、切削功率、轉矩等不能超過許用值，同時要注意切削力不能太大，以防止工件變形。

經驗切削參數與實驗所得切削參數數據對比如表3 所示。

表3 經驗切削參數與實驗所得切削參數數據對比

由表3 中的數據可以看出，材料去除率提高了(32 760 -18 000)/18 000=45%。

4 結語

通過本次實驗，可以得出以下結論:

(1)切削穩定域曲線真實地反映了切削深度、主軸轉速對切削顫振的影響，以不同的刀具、機床、工件工藝特征、切寬、鋁合金等為條件，根據對顫振穩定域的分析和實驗驗證，可以確定在不同條件下的切削參數，為鋁合金高速加工選擇合理切削參數提供科學依據。

(2)通過切削參數進行優化，可以提高單位時間內的材料去除率，提高機床的利用率。

(3)錘擊實驗所取得的響應數據受到加速度計本身重量的影響，對切削穩定域有一定的影響，還需要通過改進方法，如利用激光干涉儀等，尋找測量響應數據更好的辦法。

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