正交車銑SiCp/Al復合材料薄壁回轉體振動信號的實驗分析*

郭俊文　黃樹濤　許立福　焦可茹

(沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159)

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正交車銑SiCp/Al復合材料薄壁回轉體振動信號的實驗分析*

郭俊文黃樹濤許立福焦可茹

(沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159)

運用MAZAK INTEGREX 200Y機床上正交車銑SiCp/Al復合材料薄壁回轉體試件，通過PCI-1712高速數據采集卡采集刀桿主軸的加速度振動信號，分析了不同刀具轉速和工件轉速對刀桿主軸振動的影響。結果表明切削力激振頻率ωi遠小于薄壁件固有頻率，且使用該參數不會引起顫振；刀具轉速對切削振動有很大影響，正交車銑加工時應通過調整轉速比，避開顫振敏感的刀具速度。分析結果對正交車銑加工薄壁件有指導意義。

SiCp/Al復合材料；薄壁回轉體；正交車銑；振動

薄壁工件加工是機械加工中比較棘手的問題，原因是薄壁工件剛性差、強度弱、容易發生切削振顫，在加工中極容易變形，使工件的形位誤差增大。要保證零件的加工質量關鍵是消除或減小加工過程中的振動，可通過多種方式實現，如提高工藝系統剛度、進行多次工序間熱處理、選擇合理切削用量、充分冷卻、設計薄壁筒體加工系列夾具并相應調整加工工步和刀具切削參數等措施[1]。

SiCp/Al復合材料薄壁件由于材料各方面的性能指標優異，重量輕、結構緊湊、整體性能高，在現代航空、航天工業中應用普遍，經常被用來作為導彈、飛機、衛星等上的功能件和特殊結構件。但是SiCp/Al復合材料薄壁件的材料和結構特性也使得切削加工過程中的振動比較嚴重，特別是對高體分SiCp/Al 復合材料，由于其性能偏于脆性，振動將加大其產生損傷和破壞的可能[2-3]。在機械加工中自由振動衰減快，對切削過程影響不大；受迫振動的頻率等于激振力的頻率，或是它的整數倍，當激振力的頻率等于或接近振動系統的固有頻率時，系統將發生共振，振幅急劇增大，嚴重時會使系統遭到破壞。自激振動是受到外界干擾而產生的一種振動，頻率接近系統的固有頻率，切削過程中自激顫振危害性較大，是目前機械加工中比較棘手的問題[4]。本文將采用一種先進的金屬切削方法正交車銑技術，利用銑刀旋轉和工件旋轉的合成運動來實現對工件的切削加工，屬于斷續切削，切削過程中具有切削力小，切削平穩等優點，因此適用于薄壁的加工[5-7]。所以研究正交車銑薄壁回轉體振動信號對車銑加工薄壁件有重要意義。

1　切削實驗

1.1實驗條件

實驗所采用的機床是日本生產MAZAK INTEGREX 200Y車銑加工中心，如圖1所示。

實驗原理圖如圖2所示。

工件：工件材料是SiCp/Al復合材料，本次實驗工件尺寸為長L=150 mm，外徑D=76 mm，壁厚為4 mm的薄壁圓筒。工件裝夾長度為13 mm，裝卡部分工件內部填充鋁棒防止工件被壓碎。材料中的SiC顆粒的體積分數為56%，顆粒平均尺寸大小為60 μm，材料主要性能如表1。

實驗刀具：實驗采用的刀具為瑞典 SANDVIK 公司生產的聚晶金剛石(PCD)單齒立銑刀，刀具φ=12 mm，前角γo為0°，后角αo為5°，刃傾角λ為5°，刀尖圓弧半徑r為0.4 mm。

表1　SiCp/Al復合材料參數

測試儀器：PCI-1712數據采集卡，CA-YD系列壓電式加速度計，YE5850電荷放大器。1通道所接加速傳感器測量刀桿主軸軸向振動，其靈敏度為1.92 PC/m·s-2；2通道所接加速度傳感器測量刀桿主軸切向振動，其靈敏度為2.25 PC/m·s-2；3通道所接加速度傳感器測量刀桿主軸徑向振動，其靈敏度為2.16 PC/m·s-2。

1.2薄壁回轉體動態特性分析

使用有限元軟件ANSYS建立薄壁回轉體工件的有限元模型如圖3，并進行有限元計算。

根據有限元模型計算得到薄壁回轉體工件的前4階固有頻率，如表2所示。

表2　薄壁回轉體前4階固有頻率

1.3振動信號采集

實驗主要是研究不同刀具轉速、工件轉速條件下工件的振動情況。在刀具轉速n分別為2 500 r/min、2 750 r/min、3 250 r/min、3 750 r/min、4 000 r/min時，其他實驗參數如工件轉速n為15 r/min,進給量f為0.2 mm/r,切深ap為0.2 mm。在刀具轉速n為3 000 r/min,進給量f為0.2 mm/r,切深ap為0.2 mm不變時，只改變工件轉速為30 r/min、45 r/min、60 r/min、75 r/min。

在薄壁件加工時，由于薄壁件剛性差，切削力成為工件變形的主要因素，因此根據切削力激振頻率公式ωi=n×N/60(n為刀具轉速，N為銑刀齒數)，對所選參數進行分析，可得ωi=41.7 Hz、45.8 Hz、54.2 Hz、62.5 Hz、66.7 Hz遠小于薄壁件(4086.3 Hz)固有頻率，因此使用該參數不會引起顫振。

由于車銑時間比較長，故將測量設為3段，分別為入刀切削、平穩切削、退刀切削3個階段，進行在離工件自由端分別為0 mm、11 mm、22 mm處切削采集數據。

2　正交車銑振動試驗結果分析

2.1刀具轉速對刀桿主軸振動的影響

工件轉速為15 r/min,進給量f為0.2 mm/r,切深ap為0.2 mm,刀具轉速為2 500 r/min、2 750 r/min、3 250 r/min、3 750 r/min、4 000 r/min。車銑加工方式為逆銑，切削線速度v=94.2 m/min、103.6 m/min、122.4 m/min、141.3m/min、150.7 m/min。

現將3個階段所得測量值進行振動加速度信號分析，切削過程中刀桿3個方向振動加速的有效值如圖5所示。

從圖5可以看出銑刀刀桿軸向的加速有效值明顯比切向和徑向的加速度有效值要大得多，刀桿切向和徑向的加速度有效值變化比較平穩，且入刀切削階段的加速度有效值明顯比平穩切削階段和退刀切削階段的加速度有效值要大，由于開始切削時切削力逐漸增大。

由5a可以看出，在入刀切削階段，首先刀具轉速由2 500 r/min到2 750 r/min時，刀桿的軸向加速度有效值略微增大；其次刀具轉速由2 750 r/min到3 250 r/min時，刀桿的軸向加速度有效值明顯變小；然后刀具轉速由2 750 r/min到3 750 r/min時，刀桿的軸向加速度有效值明顯變大；最后刀具轉速由3 750 r/min到4 000 r/min時，刀桿的軸向加速度有效值略微變小。

由5b看出，在穩定切削階段，刀桿的軸向有效值隨刀具轉速增加變化比較平穩。

由5c看出，在退刀切削階段，首先刀具轉速由2 500 r/min到2 750 r/min時，刀桿的軸向加速度有效值變大；其次刀具轉速由2 750 r/min到3 750 r/min時，刀桿的軸向加速度有效值穩定減小；最后刀具轉速由3 750 r/min到4 000 r/min時，刀桿的軸向加速度有效值變大。

由于試驗過程中設置的采樣頻率偏于保守而且值較大，為了看到比較明顯的頻域波形圖要將原始試驗數據進行抽取存盤，刀具轉速為2 500 r/min時刀桿的主軸頻域波形圖如圖6所示。

從圖6可以看出刀具轉速為2 500 r/min時，刀桿的軸向主振頻率為502.5 Hz，切向、徑向的主振頻率為45 Hz。軸向的振動振幅主要集中于500 Hz、700 Hz、900 Hz附近，45 Hz附近也有小的峰值但不明顯；切向的振動振幅主要集中在50 Hz、150 Hz附近，600 Hz附近也有小的峰值，且遠比50 Hz處的峰值要小 ；徑向的振動振幅在45 Hz附近有小的峰值但不明顯。軸向在502.5 Hz處取得最大值0.31 m/s2,切向在45 Hz處取得最大值0.016 m/s2，徑向在45 Hz處取得最大值0.008 m/s2。不同刀具轉速時刀桿主軸的主振頻率如表3所示。

表3　不同刀具轉速的主振頻率

從表3可以看出，隨著刀具轉速的逐漸增大，主軸各方向的主振頻率也隨之增大，且軸向的主頻率比其他兩個方向的主頻率要大的多。其中不同刀具轉速時刀桿主軸各方向的主振頻率同樣都比較接近刀具的旋轉頻率(2 500 r/min即41.7 r/s，2 750 r/min即45.8 r/s，3 250 r/min即54.2 r/s，3 750 r/min即62.5 r/s，4 000 r/min即66.7 r/s)的整數倍，由此可以看出刀具的旋轉是引起刀桿主軸振動的主要因素。

2.2工件轉速對刀桿振動的影響

刀具轉速n為3 250 r/min,進給量f為0.2 mm/r,切深ap為0.2 mm,工件轉速為30 r/min、45 r/min、60 r/min、75 r/min。

現將3個階段所得測量值進行振動加速度信號分析，切削過程中刀桿3個方向振動加速的有效值如圖7所示。

從圖7的3個階段的工件轉速對加速度有效值變化曲線來看，隨著工件轉速的逐漸增大，刀桿的軸向、徑向、切向有效值隨變化比較平穩，且銑刀刀桿軸向的加速有效值明顯比切向和徑向的加速度有效值要大得多。

所以由兩種不同的因素對刀桿主軸的振動影響來看，工件轉速沒有刀具轉速對刀桿主軸振動的影響大。在車銑加工生產薄壁回轉體時，要著重考慮刀具轉速對工件振動的影響。

工件轉速為30 r/min時刀桿的主軸頻域波形圖如圖8所示，其刀桿的軸向主振頻率為702.5 Hz,切向、徑向的主振頻率為55 Hz。軸向的振動振幅主要集中于700 Hz、500 Hz附近，50 Hz附近也有小的峰值但不明顯且在100～400 Hz之間的頻段處均無振動；切向的振動振幅最大處集中在55 Hz附近，且在整個頻段振動比較均勻；徑向的振動振幅主要集中在55 Hz、225 Hz、975 Hz附近，其余頻段均有小的峰值。軸向在702.5 Hz處取得最大值0.275 m/s2，切向在55 Hz處取得最大值0.0066 m/s2，徑向在55 Hz處取得最大值0.006 24 m/s2。

不同工件轉速時刀桿主軸的主振頻率如表4所示。

表4　不同工件轉速的主振頻率

由表4可以看出，軸向主振頻率比徑向、切向主振頻率大的多，且隨著工件轉速的變大只有軸向主振頻率在變化，所以在車銑加工過程中，工件轉速只影響刀桿軸向的主振頻率，對徑向、切向的主振頻率沒有影響。工件的旋轉頻率(30 r/min即0.5 r/s、45 r/min即0.75 r/s、60 r/min即1 m/s、75 m/min即1.25 r/s)明顯小于刀桿主軸各方向的主振頻率，因此工件轉速對正交車銑加工的振動影響不大。

3　結語

通過對正交車銑過程中刀桿主軸的振動加速度的測量分析了不同刀具轉速和工件轉速對刀桿主軸振動的影響，結果表明：

(1)切削參數對刀桿主軸振動均有一定影響，刀桿主軸的軸向加速度有效值要比其他兩個方向要大得多，且刀桿主軸振動的主頻率與工件旋轉頻率和刀具旋轉頻率的整數倍相接近。

(2)根據切削力激振頻率公式ωi=n×N/60(n為轉速，N為銑刀齒數)，對所選參數進行分析，可得ωi遠小于薄壁件(4 086.3 Hz)固有頻率，得到使用該參數不會引起顫振。

(3)刀具轉速對切削振動有很大影響，正交車銑加工時應通過調整轉速比，避開顫振敏感的刀具速度。

[1]裘俊彥,陳衛紅,章磊.鋁合金薄壁筒形零件車削與夾具[J].水利電力機械,2004,26(2):47-48.

[2]Wei zhengshan , Wu shenqing. Wear properties of potassium titivate whiskers-reinforced Al-12Si alloy composites [J].Research&Development,2010，7(1):33-36.

[3]Thevenot V,Arnaud L,DesseinG. Integration of dynamic behavior variation in the stabili-ty lobes method :3D lobes construction and application to thin-walled structure milling[J]. Int J Adv manuf Technol ,2006，27:638-644.

[4]石莉，陳爾濤，姜增輝. 正交車銑鋁合金薄壁回轉體振動信號的試驗分析[J].兵工學報，2009，30(3):357-360.

[5]賈春德,姜增輝.車銑原理[M].北京:國防工業出版社,2003.

[6]Budak E,Altintas Y. Analytical prediction of chatter stability in mill-part I: general formulation [J].Journal of Dynamic Systems，Measurement and Contrd,1998，120:22-33.

[7]吳瓊,張以都,張洪偉,等.航空薄壁件銑削加工動態特性與實驗分析[J].兵工學報,2008，29(9):1118-1122.

(編輯譚弘穎)

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Test ansysis on vibration signal of rotary thin-walled part of SiCp/Al composites with orthogonal turn-milling machining

GUO Junwen,HUANG Shutao,XU Lifu,JIAO Keru

(School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, CHN)

The present study makes an analysis of the impact of the change to a different tool speed and workpiece speed on the arbor shaft vibration with the help of Turn Milling SiCp/Al composites thin wall revolving body specimens in the machine MAZAK INTEGREX 200Y. And the PCI-1712 high-speed data acquisition card is employed to collect acceleration vibration signal of the spindle arbor. Results show that the cutting force of vibration frequencyωiis far less than I thin-walled inherent frequency, and the use of this parameter will not cause flutter .The tool speed also has a great influence on the cutting vibration. Therefore, when working, the turn-milling should adjust the speed ratio to avoid chatter sensitive tool speed. The results have a great significance to orthogonal milling of thin-walled parts.

SiCp/Al composites; rotary part; orthogonal turn-milling; vibration

TG51

A

郭俊文，男，1989年生，碩士研究生，主要研究方向為新材料精密及特種加工技術。

2015-06-15)

160131