劉慶峰，楊發展，張玉騰

(青島理工大學 機械工程學院，山東 青島 266000)

?

基于LabVIEW、MATLAB的中空結構鋁合金高速銑削噪聲試驗設計

劉慶峰，楊發展，張玉騰

(青島理工大學 機械工程學院，山東 青島 266000)

針對立銑刀高速加工中空結構鋁合金的噪聲振動問題，通過設計正交試驗和利用不同類型刀具對工件進行高速銑削試驗研究。以NI-PXI-1045為平臺，通過LabVIEW軟件編程采集加工噪聲和振動加速度信號。利用LabVIEW和MATLAB軟件的混合編程，對噪聲振動信號進行時域和頻域分析。研究表明，該試驗設計可以實時、準確的采集到噪聲振動信號，能夠對試驗數據進行快速處理，信號準確且易于存儲，為噪聲產生機理分析提供方便。

中空結構鋁合金；高速銑削；噪聲試驗

0 引言

鋁合金具有質量輕、耐腐蝕性強和便于加工與維護等優點[1]，被廣泛應用在航空器材、動車車廂、汽車零部件等領域，是實現產品輕量化的重要替代材料。中空結構鋁合金由于具有突出的造型特征、強度高、重量輕、力學性能穩定、隔音效果好等突出優勢，越來越多的被應用在新型結構和新型裝備中[2]。高速加工技術在高速動車大型鋁型材加工上得到成功的實施和應用，促進了高速加工技術的發展，大大提高我國高速動車組的加工質量和加工效率，取得了巨大的經濟效益和社會效益[3]。然而，中空鋁合金材料具有結構復雜、壁薄、剛度差特點，在高速加工過程中容易出現振動劇烈、噪聲大等問題，影響操作人員的身心健康。

LabVIEW作為一種圖形化的編程語言開發環境，可作為一個標準的數據采集和儀器控制軟件來使用[4]。以中空結構鋁合金為研究對象，通過設計高速銑削正交試驗，利用LabVIEW軟件和虛擬儀器采集加工過程中的噪聲振動信號，并利用LabVIEW和MATLAB混合編程對試驗數據進行分析處理，獲得不同類型銑刀、銑削加工工藝參數對噪聲振動的影響規律及噪聲產生機理，為后續選定最佳刀具類型、銑削加工工藝參數及噪聲抑制方法提供方便。

1 中空結構鋁合金高速銑削噪聲振動試驗

1.1 試驗材料及刀具

為使研究與生產實際相結合，本試驗采用與動車制造所用材料相同，材料型號為6N01，其截面結構如圖1所示。

圖1 中空結構鋁合金

圖中上下截面厚度為2.8mm,中間傾斜部分薄壁截面厚度為1.6mm。

6N01鋁合金材料的力學性能如表1所示。

表1 6N01鋁合金材料的力學性能參數

為了研究刀具結構與刀具材料對中空結構鋁合金高速加工噪聲的影響，選擇高速鋼刀具和硬質合金刀具(杭州奧特爾非標數控刀具公司生產)，刀具詳細情況如表2所示。

表2 銑刀規格

1.2 試驗信號采集程序設計

根據試驗需要，利用四個振動加速度傳感器分布在不同位置實現對振動信號的采集，利用兩個噪聲傳感器實現對噪聲的采集，數據采集程序如圖2所示。

圖2 數據采集程序

1.3 試驗條件

試驗在VMC850B立式加工中心上進行，最大功率為11kW，最高轉速可達8000r/min，因此滿足對高速加工的要求。以NI-PXI-1045為平臺，使用PXI-4496采集卡，將噪聲和振動傳感器粘貼在加工區附近，通過LabVIEW軟件編程實現振動加速度、噪聲信號采集。

1.4 試驗方案

加工工藝參數主要包括主軸轉速n，進給量vf，徑向切寬ae。由于板材高50mm，設定軸向切深為35mm，以n,vf,ae作為三個因素，同時，選擇因素n為4水平，vf為4水平，ae為4水平[5]。本次試驗是三因素四水平正交設計，正交試驗表如表3所示。

表3 正交試驗方案及部分試驗結果

1.5 銑削實驗

本實驗采用自由振動法測量系統的固有頻率，利用敲擊法對加工系統施加一個初始擾動，將系統的振動波激勵出來使其產生一個自由振動，同時用數據采集系統記錄其波形，從而獲得系統的固有頻率?；谀慰固夭杉ɡ恚O定采樣率為1024Hz，2s作為一個采樣周期，采樣數為2048。

按照以上的試驗方案和數據采集方式依次選用不同類型刀具、不同銑削參數組合進行銑削實驗并保存實驗數據。設定采樣率為1024Hz，3s作為一個采樣周期，采樣數為3072。

2 數據分析處理

2.1 銑削系統固有頻率提取

對利用敲擊法獲得的時域波形圖進行FFT變換轉變為頻域圖和信號功率譜圖，利用LabVIEW和MATLAB混合編程的程序(圖3)進行轉變，獲得系統的固有頻率。

圖3 時域波形轉為頻域波形程序

其處理結果如圖4所示。

由頻譜圖像和信號功率譜圖像可知振動信號中所占比例較大的頻率位于30～60Hz之間，比例最大的為41Hz，故試驗系統固有頻率維持在為41Hz左右。

圖4 處理后結果圖像

2.2 信號預處理

實驗進行加速度噪聲信號采集過程中將環境中各種振動、噪聲干擾也提取出來了。因此在提取信號數據特征值之前要對信號進行預處理(包括濾波處理及零均值處理)，預處理程序如圖5所示。

圖5 預處理程序

2.3 時域特征值和聲壓級提取

時域特征值和聲壓級提取程序如圖6所示。

(a) 時域特征值提取程序

(b) 聲壓級獲取程序

所提取的時域特征值主要包括方差、算數平均、正峰、反峰和均方根。方差能夠反映振動信號偏離期望值的大小，不同的銑削參數組合，振動和噪聲信號的波動情況也不同，方差可以反映出其波動程度，方差越大，波動程度越大，振動就越劇烈，導致高強噪聲。算數平均能夠反映信號的靜態分量，可以作為整個銑削過程中信號變化的特征值。均方根能夠穩定地表述信號的能量特性，反映振動系統的功率。

以刀柄直徑為25mm，螺旋角為45°的硬質合金刀具得到聲壓級和均方根為例進行分析，實驗結果(見表3)。對均方根數據進行極差分析，得到各因素對均方根影響主次順序為主軸轉速>進給量>徑向切寬。對聲壓級數據進行極差分析，可以建立銑削參數對聲壓級的影響關系，如圖7所示。

(a) 主軸轉速對聲壓級影響

(b) 進給量對聲壓級影響

(c) 徑向切寬對聲壓級影響

由圖7可以分析各銑削工藝參數對聲壓級的影響程度以及變化趨勢。從圖7a和圖7c中可以看出：在試驗范圍內，隨著主軸轉速和徑向切寬的增加，聲壓級都呈現先增長后減小趨勢；而從圖7b中可以看出：在試驗范圍內，隨著進給量的增加，聲壓級呈現減小趨勢。綜合來看，在實際銑削加工過程中，可以選擇較大的進給量，選擇合適的主軸轉速和徑向切寬，這樣可以有效降低銑削過程中產生的噪聲。在本試驗范圍內，刀柄直徑25mm，螺旋角為45°的硬質合金刀具選擇的最佳銑削工藝參數為主軸轉速5500r/min，徑向切寬11mm，進給量1000mm/min。

利用所得到的時域特征以及聲壓級可以對實現銑削加工工藝參數以及刀具類型的最佳選擇，從而應用到實際生產過程中以減少加工過程中噪聲振動的產生，提高產品質量。

2.4 頻域特征值提取

將采集到的噪聲信號時域波形轉化為頻域波形的程序(見圖3將MATLAB Script中N的取值改為3072)，轉化如圖8所示。

(a) n=5500r/min

(b) n=6500r/min

圖8a表明，當轉速達到5500r/min時，對噪聲幅值貢獻最大的頻率值為233Hz(理論值為183Hz)。圖8b表明，轉速為6500r/min時，對噪聲幅值貢獻最大的頻率值為325Hz(理論值為217Hz)，其幅值也相應變大。所產生噪聲的頻率比銑刀產生的振動頻率比理論值要高，由于中空結構鋁合金的特殊結構，使得銑刀與工件之間容易產生顫振，從而產生了由低頻向高頻轉移的現象[6,7]。從以上數據可以看出，本試驗所設計的數據采集、分析、處理系統具有一定的實用性和合理性。

通過圖8可以看出，銑削過程中的噪聲以顫振引發的中高頻為主，尤其是以頻率為200Hz～400Hz的中頻頻率段最為明顯，對于動態銑削振動，其能量主要集中200Hz～400Hz頻率段。因此，控制和降低顫振的發生是控制噪聲的最有效方式。

3 結束語

本試驗針對銑刀高速加工中空結構鋁合金過程中的噪聲振動問題，通過設計正交實驗和不同類型刀具的高速銑削實驗，利用振動、噪聲傳感器，通過LabVIEW圖形化編程軟件實現對信號的采集，并利用LabVIEW和MATLAB混合編程實現數據預處理、時域分析以及頻域分析獲得以下結論。

① 本試驗設計可以通過對敲擊法獲得的時域波形圖轉換為頻域圖，利用LabVIEW和MATLAB混合編程的程序進行轉換，獲得加工系統的固有頻率為41Hz左右。

② 本試驗設計可以利用時域分析所得到的時域特征及聲壓級實現對中空結構鋁合金銑削加工工藝參數及刀具類型最佳選擇。

③ 本試驗設計可以利用頻域分析可得知中空結構鋁合金加工過程中的噪聲主要是由于刀具與工件發生的顫振引起，控制和降低顫振的發生是控制噪聲的最有效方式。

[1] 楊巨平.鋁合金材料在鐵路貨車上的應用研究[J]. 鐵道車輛，2015，53(6):24-25.

[2] 康魯迪.高速銑削中空結構鋁合金噪聲產生機理研究[D].青島：青島理工大學，2014.

[3] 王建波.中空結構鋁合金高速加工刀具損傷機理分析[J]. 機械工程師，2013(8):60-61.

[4] 張毅,周紹磊，楊秀霞,等.虛擬技術分析與應用[M]. 北京:機械工業出版社，2004.

[5] 彎艷玲,張學蕊,于化東,等.高速微銑削鋁合金表面粗糙度的多指標正交試驗研究[J]. 中國機械工程,2013，24(24):3278-3288.

[6] 陳延軍.切削顫振系統動態特征性分析[D].西安:西北工業大學,2006.

[7] 李崢，劉強.基于切削噪聲的數控加工顫振識別系統[J].制造技術與機床,2009(2):16-18.

(編輯 李秀敏)

Research on Noise Experimental Setting in High-speed Milling Hollow Structural Aluminum Alloy Based on LabVIEW and MATLAB

LIU Qing-feng, YANG Fa-zhan, ZHANG Yu-teng

(Mechanical Engineering Department, Qingdao university of Technology, Qingdao Shandong 266000, China)

For the noise and vibration Problem of cutter in high-speed milling hollow structural aluminum alloy, based on high-speed end milling orthogonal experiments and high-speed milling experiments with different cutter, the signal of noise and vibration acceleration would be collected by NI-PXI-1045 through the software programming of LabVIEW. Mixed programs were written by LabVIEW and MATLAB software which conducts, time domain and frequency domain analysis. The experiment shows that: the experimental setting can not only capture real-time, accurate noise and vibration signal, but also make the test data processing fast, accurate and easy to store, so that it provides a convenient way for the analysis of the noise generation mechanism.

hollow structure aluminum alloy; high-speed milling; noise experiment

1001-2265(2016)11-0031-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.009

2015-12-19

2016-01-21

國家自然基金(51205219)；山東省高等學?？萍加媱澷Y助項目(J12LB09)

劉慶峰(1990—)，男，山東臨沂人，青島理工大學碩士研究生，研究方向為先進制造技術，(E-mail)15563979951@163.com。

TH145;TG54

A