基于短時域信號處理的深孔加工效能提升研究

肖 敏，朱 科

（中國商飛民用飛機試飛中心，上海 200100）

隨著日趨嚴重的環境問題和制造能耗與效率問題，對于充分競爭市場環境下的航空制造業，急需尋求高效能和低成本的解決方案。鋁合金零件鉆削加工是民機改裝零部件加工的典型過程，深孔鉆削加工常用啄式步進鉆削的方式，受限于深孔鉆削散熱、刀具磨損與排屑等問題，大量的時間消耗在退刀冷卻與排屑的過程中，導致加工效能低下。目前機械加工中對于深孔加工的研究與改進局限于采用價格更為昂貴的特種鉆頭，在傳統鉆削中仍大量采用麻花鉆步進鉆削加工，導致在傳統鉆削加工方式的基礎上難以有效提高鉆削加工的綜合效率，因此也無法有效提高機械加工系統的效能。

已有文獻研究中，Mori M 等[1]提出一種用于常規鉆孔或深孔加工的加速度控制方法，使主軸加速度與進給系統同步進而降低能耗。Aized T 等人[2]基于響應面的實驗設計考慮不同的工藝參數，研究并改進了深孔鉆削工藝和孔的質量。張曉東、韓策[3]等對深孔加工的工藝特點及難點進行了分析，就目前現有深孔加工方法、深孔鉆削力學、深孔鉆削切屑形態與排屑方法等進行了綜述。

1 深孔加工步進鉆削原理

在深孔加工過程中，通常采用步進鉆削[2]的工藝方式進行加工，即鉆頭鉆削固定深度Q后，強制鉆頭退出孔排屑后，再進刀繼續進行加工，如此往復以防止切屑堆積堵塞排屑槽造成鉆頭受力過大而折斷，同時減少因切屑堆積封閉切削液冷卻通道所導致的鉆頭刃尖散熱不暢而造成的刀具快速磨損。步進鉆削過程原理（retract safety level 為安全退刀平面，h0為安全平面高度）如圖1 所示。Z為孔深度，由于步進鉆削深度Q常按照經驗選擇為鉆頭直徑的一半，深孔鉆削加工的大量時間消耗在退刀排屑過程，造成加工效能低下。

圖1 步進鉆削原理

本文根據鉆削切削力模型[4]，對深孔鉆削加工過程中影響排屑狀況及鉆頭性能的主要因素深孔鉆削排屑力（排屑功耗）進行數據分析，通過短時域數據處理與信號波動分析，得到無切屑累計深度，實現對深孔加工工藝的啄式步進鉆削深度的優化[1]，以提高深孔加工效能。

2 深孔鉆削加工無切屑累積深度

在深孔鉆削加工過程中，初始階段鉆深相對較淺，排屑順暢，隨著鉆深的增加，排屑槽中容納的切屑體積越來越大，逐漸出現切屑累積現象，同時累積在排屑槽中的切屑滑移產生排屑力[4]。此時的鉆削力不僅包括鉆頭切削刃材料去除作用所產生的鉆削切削力，還包括隨鉆深增加而不斷增大的鉆削排屑力。

通常情況下啄式步進鉆削所采用的鉆削深度Q均按經驗參數取值為鉆頭直徑的一半，而根據本文對深孔鉆削加工過程的分析及極限鉆深實驗研究，初始鉆入過程的鉆削力或鉆削功耗均存在一個平穩階段。在深孔鉆削加工過程中，鉆削力或功耗的平穩階段所能達到的鉆孔深度即為無切屑累積深度，如圖2 所示。

圖2 深孔加工無切屑累積深度示意圖

根據排屑力模型[4]與功耗計算原理，計算鉆削功耗與排屑功耗，得到帶無切屑累積深度的深孔鉆削排屑功耗與鉆削深度的關系模型，如式（1）所示。

式中：Vz-軸向進給速度；Vt-切向切削速度；Fach-切屑施加在鉆頭上的力的軸向力分量，即軸向排屑力；Ftch-切屑施加在鉆頭上的力的切向分量，即鉆削切向排屑力；Kpzq-帶無切屑累計深度的排屑功耗系數；q0-無切屑累積深度。

3 加工過程信號短時域處理

深孔鉆削功耗信號是一種非平穩的時變信號，其具有多種數據特征信息，能夠反映深孔鉆削加工過程中的排屑變化狀況。對于鉆削排屑功耗信號的數據分析，可分為時域分析和變換域（頻域）分析，其中時域分析是最簡單、最直觀的方法，它直接對鉆削排屑功耗信號的時域波形進行分析，提取能夠反映短時峰值和平均幅度及短時平均幅度差函數等信號數據特征。

采用短時域信號分析（Short Time Signal Analysis，STSA）來分析加工過程信號，用短時域的多個特征表示這段信號的特征，過程信號細分原理如圖3 所示，在深孔鉆削加工過程中，采集加工過程中的鉆削功耗信號，通過短時域信號處理后，得到短時域對應的短時域信號特征峰值、均值和方差。

圖3 過程信號細分原理

為了減少數據處理的工作量只保留關鍵時域特征，這里對深孔鉆削排屑功耗信號進行時域分析提取的特征是峰值式（2）、均值式（3）、方差式（4）。

式（2）、（3）、（4）中：xp-鉆削力信號數據短時域峰值；鉆削力信號數據短時域均值；s2-鉆削力信號數據短時域方差；Ni-劃分短時域數量；Rs-目標信號數據集合；F-短時域劃分采樣頻率。

在深孔加工過程中，步進鉆削的單步鉆削深度參數選擇直接決定了鉆孔加工效能。因此，本研究在選取的工藝參數組合范圍內，進行極限鉆深實驗得到了不同工藝參數組合的鉆削功耗，通過對鉆削切削功耗分析得到無切屑累計功耗，基于短時域信號數據分析，經計算得到步進鉆削無切屑累積深度，以此深度作為步進鉆削深度，以提高深孔加工效能。

3.1 深孔鉆削無切屑累積功耗閾值

根據鉆削切削功耗數學模型，得到相應工藝參數下的鉆削切削功耗如式（5）所示，作為深孔極限鉆深無切屑累積功耗閾值。

式中：Protation-主軸旋轉切削運動功耗；Pfeed-主軸進給運動功耗。

因此，深孔鉆削無切屑累積功耗閾值PNCT（No Chip accumulation Threshold，NCT）如式（6）所示。

3.2 鉆削功耗短時域數據分析處理

選取工藝參數進行深孔極限鉆削實驗，得到鉆削功耗時間與鉆削深度變化數據信號，基于短時域信號分析通過數據均值衡量短時域內的深孔鉆削功耗水平，以短時域數據方差作為鉆削功耗變化趨勢參考。將短時域均值特征與無切屑累積功耗閾值即鉆削切削功耗作差，通過搜索得到差值大于零時的鉆深如式（7）所示，綜合方差分析得到短時域鉆削功耗對應的鉆削深度即為無切屑累積深度。

3.3 步進鉆削深度減少率

根據已有研究[5]，在深孔啄式鉆削中排屑扭矩隨深度增加而不斷變大，已有研究表明，不同深徑比的經驗工藝參數減少率[6]如表1 所示。在得到深孔步進鉆削無切屑累積深度的基礎上，由轉速與進給速度計算關系式（8），按麻花鉆鉆深孔時的切削用量減少率經驗模型確立步進鉆削深度減少率。

表1 麻花鉆鉆深孔時的切削用量減少率

為保證切屑能夠順利排出且提高步進鉆削效率，當切削速度與進給量不變時，在相同條件下的步進鉆削深度隨之減少。因此，鉆削深度減少率如式（9）所示，已知無切屑累積深度q0，則步進鉆削深度為Q，如式（10）所示。

3.4 面向效率的鉆深優化分析

根據步進鉆深啄式鉆削過程，不同進給速度條件下完成無切屑累計深度所需時間不同，為取得相對最優效率，建立優化目標函數為加工時間和無切屑累積深度。取加工時間和無切屑累積深度的權重相等，因此目標函數為鉆削加工時間和無切屑累積深度歸一化后之和，目標函數為式（11）。

式中：T-鉆削加工時間；Tmax-最大鉆削加工時間；Tmin-最小鉆削加工時間。

通過鉆削加工時間與無切屑累積深度兩個不同指標對影響深孔鉆削效率的工藝參數進行優選。對不同量綱和數量級的指標數據進行標準化處理，原始的鉆削加工時間與無切屑累積深度數據均轉換為處于同一個數量級別上的無量綱化指標評價值，然后進行綜合測評分析。通過歸一化使不同維度之間的特征在數值上具有一定比較性，比較得出相對最優化結果。通過計算分析得到相對最優的步進鉆削深度，以實現深孔鉆削加工效能優化提升的目標。

4 實驗驗證與分析

驗證采用標準麻花鉆鉆削加工6061 鋁合金件，鉆頭直徑4mm、鉆削深度40mm、長徑比為10，實驗現場與工件如圖4 所示。

通過極限鉆深實驗，結合短時域信號分析得到深孔鉆削無切屑累積深度，在此基礎上對實驗與未優化工藝參數進行比較，分析深孔加工效能變化情況。

4.1 極限鉆深實驗結果與短時域分析

首先對選定的4 組工藝參數組合進行極限鉆深實驗，得到4 組極限鉆深功耗數據信號如圖5 所示。

圖5 極限鉆深功耗數據信號

根據時空映射機制將極限鉆深信號由時域映射到空間域，得到鉆削深度與極限鉆深功耗的關系，通過短時域信號處理計算均值與方差得到無切屑累積深度閾值，如表2 所示。

表2 無切屑累積深度閾值

4.2 深孔加工步進鉆削驗證分析

根據麻花鉆深孔鉆削加工，啄式鉆削步進鉆削深度經驗參數取鉆頭直徑的一半。本實驗分別設計固定鉆深優化前后考慮首步無切屑累積深度啄鉆的對比實驗，對優化前后的啄鉆效能進行驗證分析。對比實驗設計如表3 所示。

表3 步進鉆削深度優化對比實驗設計

根據表3 實驗設計，優化前：步進鉆削深度Q=2mm；優化后：首步采用無切屑累積深度進行鉆削，從第2 步起將切削用量減少率轉化為基于無切屑累計深度的鉆削深度減少率，得到不同工藝參數條件下的步進鉆削深度Q如表3 所示。通過實驗得到優化前后的鉆削加工功耗與時間如圖6 所示。

圖6 優化前后的鉆削加工功耗與時間

由對比實驗可知，考慮無切屑累積深度閾值的深孔步進鉆削對比采用經驗參數進行加工，其加工總功耗與時間均有不同程度的減少，效能優化提升結果如表4、表5 所示。

表4 加工工藝優化前后總能耗對比實驗結果

表5 加工工藝優化前后時間對比實驗結果

綜上所述，本文對深孔步進鉆削加工的工藝優化研究實現了加工能耗最多降低67.1%，加工時間最多減少67.4%，在一定程度上有效提升了深孔加工效能。

5 結論

本文基于深孔極限鉆深鉆削加工功耗特性分析，提出了深孔加工步進鉆削無切屑累積深度的概念，基于短時域信號處理分析方法，通過計算得到了深孔加工的無切屑累積深度，在此基礎上，優化了深孔加工步進鉆削深度，解決了傳統麻花鉆深孔加工步進鉆削依靠經驗步進鉆削深度而加工效能低下的問題，通過實驗驗證達到了提升加工效能的目的。