振動頻譜分析協助下薄壁零件加工工藝參數優化

劉學航，周為，周文超，陳川雄

(宜賓職業技術學院，四川宜賓644003)

薄壁零件廣泛存在于機電設備產品之中，或因結構性能需要，或為節約材料。尺寸精度、表面粗糙度及形狀誤差要求較高的薄壁零件的加工，一直是車削中棘手的問題。原因是薄壁零件剛性差、強度弱，車削加工時受切削力、切削熱和振動等的作用和影響，極易產生變形，發出噪聲。振動導致加工工件表面產生“波紋”等缺陷，生產中往往隨之減少切削用量，降低了生產效率。

1 W640A01 模具推管加工工藝簡析

圖1 模具推管加工略圖

W640A01 模具推管是某公司生產玻璃酒瓶模具的重要配件，屬易耗品，需要量較大。模具推管加工尺寸精度、形狀精度和位置精度要求高，如果模具加工質量保證不了，生產出來的玻璃酒瓶就會有毛邊、拉絲、發白等嚴重質量問題。推管的略圖見圖1。

1.1 數控車削加工工藝分析

材料為預硬化模具鋼，牌號3Cr2Mo (P20 模具鋼)，洛氏硬度HRC 30 ～36，直接用于制模加工。工序路線:采用先內孔后外圓的加工方式，加工分為粗、半精、精加工多個階段。加工外圓時以內孔作為定位基準，以保證形位精度。如圖所示長度82 mm為薄壁位置，厚度僅1.5 mm，是加工最難點。裝夾設計:加工外圓時，采用彈性心軸、錐度拉桿組成的脹套結構工裝，即先固定彈性心軸在數控車床的卡盤上，然后再將錐度拉桿安裝在彈性心軸中并通過螺紋聯接車床的液壓系統。選擇刀具:刀具選取硬質合金90°車刀，刀具刃口鋒利，前角取8° ～15°，修光刃取0.2 ～0.3 mm，刀柄的剛性要求高。

1.2 加工中存在的問題

端面、內圓加工比較順利，外圓φ81 薄壁處卻遇到難題:采用常規切削工藝參數加工，系統(床身、工件、刀具)出現異常振動，并不時伴有低沉噪聲，工件外圓車削出現“波紋”，產品合格率低。調整工藝參數，效果并不理想，檢測質量參數一直不穩定。

2 薄壁零件加工過程中的振動

切削加工產生振動的原因很多，數控車床在工作中影響加工的振動主要屬于強迫振動和自激振動［1］。

強迫振動是由外界周期性的干擾力所引起和維持的振動。支持振動的干擾力，是由外界產生的，振動的特性由外界決定。強迫振動只有在高速切削車床和重型車床發生諧振的情況下才會影響加工質量;在大多數中等速度的車床上，強迫振動常常是離諧振頻率范圍較遠的非高頻振動，這種振動并不引起處于不同方位結合面間隙的改變，故不影響車床的工作性能。自激振動是在沒有外來的周期性干擾力的條件下，由振動系統本身引起的交變力作用而產生的振動，在機械加工過程中，這種振動是由振動過程本身引起某種切削力的周期性變化，又由這個周期性變化的切削力反過來加強和維持振動，使振動系統補充了由阻尼作用消耗的能量。當振動停止時，該交變力也就消失。這種在金屬切削過程中的自激振動，一般稱為切削顫振，簡稱為顫振［2－5］。強迫振動和自激顫振，最終導致在刀具與工件之間存在難以控制的相對振動，使工件與刀具之間的相對位置發生了微幅變動，最終使工件表面粗糙度增大、加工質量降低。

3 切削工藝參數優化試驗

3.1 試驗方法

切削要素試驗測試系統采用4 個壓電式加速度傳感器，分別安裝在數控車床主軸方向(表示為:Z-1-測試序號)，外圓車刀刀桿x 方向(表示為:G-X-測試序號)，y 方向(表示為:G-Y-測試序號)，z 方向(表示為:G-Z-測試序號)，用于檢測主軸和外圓車刀刀桿三維方向的振動，4 個加速度傳感器都進行過標定，對檢測的不同通道的振動信號進行數據采集、計算機頻譜軟件定量比較分析［6］。

為了更好地了解各因素的作用，采用單因素法研究各切削參數的影響，即通過固定切削二要素數值、改變另一要素數值，以詳細、直觀地觀察分析該變要素對加工振動的影響趨勢和變化規律。具體如表1－3 所示。

表1 變切削速度試驗參數

表2 變進給量試驗參數

表3 變背吃刀量試驗參數

3.2 變切削速度的振動頻譜分析

根據變切削速度試驗參數，實測4 個通道振動信號，經計算機收集整理輸出如圖2－3 所示頻譜圖。

圖2 切削速度v=150 m/s 的振動頻譜

圖3 切削速度v=400 m/s 的振動頻譜

3.3 頻譜圖解讀

圖2、圖3 為兩種切削速度下的振動頻譜圖，由圖可知:

(1)主軸的主振動頻率隨轉速的增加而前移，幅值由7.11 mm/s2較大程度增加到39.52 mm/s2，且出現多個峰值頻率，特別是在高頻臨界附近出現幅值。其主要原因是隨著數控車床主軸高速旋轉，自制脹心錐套工裝裝夾存在偏心產生動不平衡，增大振動。

(2)低速時，刀桿刀具容易發生顫振，顫振頻率在177 Hz 附近，其中徑向振動加速度幅值最大，為141.32 mm/s2。高速時，刀桿刀具三維方向振動幅值對應頻譜位置發生分散，且幅值較大程度降低，均值在9.32 mm/s2。其主要原因是隨著主軸高速旋轉，切削溫度升高，切屑流動阻力減小，切削力減小，從而對切削系統的影響也就減少，沒有發生顫振。由此可見，從刀桿刀具角度分析振動變化，高速切削振動比低速切削更穩定［7～8］。

(3)數控車床設定轉速(600 ～1 500 r/min)范圍內，模具推管加工測試4 個通道發生顫振時的頻率在167 ～300 Hz 內，屬低頻振動。對應的生產實際現象有兩點:振動時噪聲較低，偶有刺耳聲;振動比較劇烈時，硬質合金刀刃容易鈍化或碎裂，符合低頻振動特征［9］。

3.4 切削參數對振動的影響變化曲線圖

根據以上試驗結果，繪制切削速度對加工振動影響變化圖，如圖4 所示。

圖4 變切削速度對振動的影響

由圖4 可知:

(1)主軸的振動隨主軸轉速增加而增加，在切削速度約350 m/min 時，振動開始較大幅度爬升。而刀桿刀具的振動隨切削速度的變化波動很大，在低速(200 m/min)時振動劇烈，隨切削速度的增加迅速降低;在臨界值260 m/min，隨轉速的增加各通道振動都呈小幅上下波動。

(2)在各向振動中，刀具的軸向振動最大，其次為刀具的徑向振動，但在高速時，刀具的徑向振動都趨于平穩甚至減少，而主軸的振動作用越來越大。

綜合有效避開顫振和提高切削加工效率的生產實際，W640A01 模具薄壁推管加工切削速度優化值約300 m/min，對應主軸轉速1 200 ～1 300 r/min。

3.5 背吃刀量、進給量對振動影響

同理，按照以上切削速度對振動影響試驗的程序、試驗結果，繪制不同背吃刀量、進給量對加工振動影響變化圖，可以得出W640A01 模具薄壁推管加工切削背吃刀量、進給量優化值分別約為:0.35 mm和0.25 mm/r。

4 結束語

(1)W640A01 模具推管屬易耗部件，如果外購不僅周期長，而且單價高。優化切削工藝參數，使車削加工生產順利進行，降低了生產成本，滿足了生產需要并提前完成生產任務，為公司同類薄壁零件批量加工難題的解決找到了技改突破口。

(2)W640A01 模具推管加工振動屬低頻振動，切削速度低速顫振頻率在177 Hz 附近，隨切削速度的增加振動呈現迅速下降。而主軸的振動隨切削速度的增加先平后揚，在中高速時成為主要振動。進給量的增加會導致各通道的切削振動呈現下降的趨勢，而背吃刀量的增加卻導致振動快速增加。

(3)綜合有效避開顫振及生產實際，W640A01薄壁模具推管加工切削速度、背吃刀量、進給量優化值分別約:300 ～350 m/min、0.35 mm 和0.25 mm/r。

(4)采用單因素法研究各切削參數對振動影響，繪制不同切削速度、背吃刀量及進給量對加工振動影響變化圖，可以方便直觀用于切削參數優化，指導生產實際。

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