鈦合金車削加工試驗切削振動的分析

陳爾濤，石 莉，姜增輝

CHEN Er-tao, SHI Li, JIANG Zeng-hui

（沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽 110159）

0 引言

機械加工中產生的振動主要有強迫振動和自激振動（顫振）兩種類型。強迫振動的特征為頻率與外界周期性干擾力的頻率相同，或是它的整數倍，干擾力消除，強迫振動停止。自激振動（顫振）的特征機械加工過程中，在沒有周期性外力，由系統內部激發反饋產生的周期性振動，其主要特征自激振動的頻率等于或接近于系統的固有頻率[1]。無論哪種振動，其實質都使刀具和工件之間產生相對位移，破壞了工件和刀具之間的正常的運動軌跡，不僅惡化加工表面、縮短機床和刀具的使用壽命，而且振動嚴重時使加工無法進行。切削實驗是研究切削參數對加工過程的影響規律，進一步指導生產實際，切削過程中的振動會影響實驗數據的準確性，嚴重時使切削實驗無法進行。

鈦合金具有優良的綜合性能，在航空航天領域得到廣泛應用，但其切削溫度高、回彈量大及化學活性強等特性使得鈦合金成為典型的難加工材料。研究鈦合金的切削機理、刀具磨損規律及切削加工的切削力的變化規律及切削振動，對于優化鈦合金加工參數庫及開發新型的刀具都有重要意義。

1 鈦合金切削實驗

1.1 試驗裝置

試驗使用CAK6150數控車床，采用株洲鉆石刀具廠生產的機夾式外圓車刀，配套刀桿MCLNR2525M12，固定在K I S T L E R 9 4 0 3 型刀架內。試驗采用瑞士KISTLER平板式測力儀，型號為Dynamometer Type 9257B ，試驗材料為TC4鈦合金棒料，一端裝夾在車床的三爪卡盤內，另一端鉆中心孔，使用死頂尖輔助定位夾緊。圖1為切削試驗裝置，應用該裝置主要進行刀具磨損實驗及切削參數對切削力影響實驗。

圖1 試驗裝置

1.2 切削振動信號的產生

應用上述裝置進行切削參數對切削力影響實驗。切削過程中切削力出現異常，工件已加工表面變差，圖2為切削參數（nw=236r/min，ap=0.1mm和f=0.1r/min）時車削加工鈦合金測得的切削力信號時域圖。從圖可以看出，工藝系統產生了振動，特別是在主切削力方向上振動更為明顯，幅值較大。

圖2 切削力信號時域圖

2 切削力信號小波分析及功率譜分析

2.1 切削力信號的小波分析

圖2為上述切削條件下采集到的三個方向上的切削力信號，可以看出，主切削力方向振動最為明顯，而且在切削前和切削后都有一定程度的振動，為振動的主方向，切削時引起工藝系統其他方向的振動，本文以主切削力為例，來研究切削系統振動情況。

應用選定的dB2小波對切削力信號進行9層分解，采樣頻率為2000Hz，奈奎斯特頻率為1000Hz，取奈奎斯特頻率作為切削力信號的最高頻率，分解后各逼近部分和細節部分的頻率為Ai：（0，1000/2i）；Di：（1000/2i，1000/2i-1）其中i=1，2，3,…,9。圖3是切削力信號小波系數分解圖,圖中D1～D9是細節部分的小波系數，A9是近似部分的小波系數，即穩態切削力小波系數。可以看出D7～D9細節部分的小波系數不同于D1～D6，具有周期性，頻率在1.953Hz～15.625Hz之間,為低頻的周期信號。利用小波系數D7～D9重構低頻振動的動態切削力信號。圖4為重構的動態切削力信號時域圖，可以看出振動信號在切削階段幅值恒定，具有強迫振動信號的特征[2]。

圖3 切削力信號小波系數分解圖

圖4 重構的動態切削力信號

2.2 重構動態切削力信號功率譜分析

為了確定重構的動態切削力信號的具體頻率，利用分段的周期圖法求出信號的功率譜如圖5所示，從圖中可以看出重構的動態切削力信號的主要頻率有3.91Hz、13.67Hz、27.34Hz和35.17Hz，這些頻率具有近似的倍頻關系，基頻為3.91Hz。

圖5 重構的動態切削力功率譜

3 切削振動類型的診斷及產生原因

由前述的切削條件可知，主軸的轉速為236r/min，主軸的轉動周期為T=60/236=0.2542s，主軸旋轉的頻率為f=1/T=3.93Hz，這與重構的動態切削力信號的振動頻率3.91Hz非常接近。對其他切削參數下振動的切削力信號及同速度下的空載信號進行同樣的分析研究發現，重構動態切削力信號的振動頻率與該參數下主軸的旋轉頻率一致，結合重構的動態切削力波形特征，確定工藝系統產生強迫振動。

強迫振動的振源有機內振源和機外振源。通過現場觀測排除機外振源的可能。檢查尾座，結果發現空載時尾座頂尖部分有輕微的振動，切削加工時，振動更為明顯。為了進一步確定振源，分別采集了工藝系統有尾座頂尖時空載切削力信號和沒有尾座頂尖時空載切削力信號，結果對比發現，有尾座頂尖輔助夾緊時，空載切削力信號有明顯的低頻振動信號，沒有尾座頂尖輔助定位夾緊時，空載切削力信號為隨機振動信號，可以初步診斷尾座頂尖的使用是振動產生的原因。

由圖1可知，該試驗系統采用三爪卡盤和頂尖裝夾，但卡盤沒有內裝限位支撐，且試驗樣件在制作時沒有考慮臺階限位面，鈦合金加工時，回彈較大，為了減小對后面的摩擦與擠壓，減小后面的磨損，提高刀具的使用壽命，一般采用較大的主偏角，本試驗刀具主偏角Kr=95，這樣切削加工時，軸向分力較大，工件在切削力的作用下產生軸向位移，而車床后尾座頂尖為死頂尖，不能及時補償產生的位移誤差，從而造成頂尖與中心孔的配合出現松動。另外卡盤與頂尖的中心線與工件中心孔的中心線是否同心，不同心高速旋轉時就會產生不平衡離心力，因此，軸向定位不準確和不平衡離心力可能是鈦合金試件加工過程中產生振動的主要原因。

針對以上分析，對鈦合金試件進行修善，首先在裝夾的一端車出臺階限位面，防止工件在軸向切削力的作用下產生軸向位移，確保軸向定位準確。其次，在進行切削試驗的車床上重做中心孔，確保兩者的同軸度誤差盡可能的小。然后測量空載及切削時切削力信號，低頻的振動信號消除，切削過程比較穩定，確保了試驗數據的準確性。

4 結束語

通過對鈦合金振動切削力信號進行小波分析和功率譜分析研究，可以得出：

1）鈦合金車削工藝系統產生了強迫振動。

2）強迫振動的主要原因為軸向定位不準確和同軸度誤差引起的不平衡離心力。通過車限位臺階面和重做中心孔，振動消除。

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