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基於（yú）穩（wěn）定域葉瓣圖的加工中心銑削參數優化

2020-2-7 來源：大連職業技術學院（yuàn）作者：孟（mèng）祥（xiáng）忠

摘要: 以某（mǒu）柴油發動機缸體生產線的精基準定位（wèi）麵加工工序（xù）為研究對（duì）象，針對加工過程中存（cún）在的表（biǎo）麵振痕明顯、精度不足的問題，提（tí）出一種基於穩（wěn）定域葉瓣圖（tú）的加工中心（xīn）銑削參數優化方法。分別進行了模態錘擊實驗和銑削（xuē）力仿真實驗，以獲（huò）取加工中心（xīn）的特征參數和銑削力係數，進而構建銑削穩定性葉瓣圖，並實驗驗證了葉瓣圖的準確性。在此基（jī）礎上，以“金（jīn）屬（shǔ）去除（chú）效率”為評價指（zhǐ）標，優化選取了加工中心銑（xǐ）削參數。該方（fāng）法有助於提高加工係統的穩定性、加工質量和加工效率。

關鍵（jiàn）詞: 模態實驗; 銑削力仿真; 穩定（dìng）域葉（yè）瓣圖; 銑削（xuē）參數

0 引言

發動機缸體麵的銑削（xuē）加工屬於平麵加工，對加工表麵的精度要求比較（jiào）嚴格，尤其是對於與缸蓋接觸的加工麵（miàn）。銑削過程中（zhōng）過大的振動不僅會影（yǐng）響加工表麵精度和產品質量，還會導致係統（tǒng）穩定（dìng）性和可靠（kào）性的降低（dī），甚至帶（dài）來（lái）安全事（shì）故，故銑削過程中的顫振（zhèn）是（shì）必須要避免的。對於已經投產的發動機缸體生產線，加（jiā）工工序已被確定，且（qiě）專用夾具和專用刀具無法更改，則通（tōng）過合理的選擇銑削（xuē）參數以減小顫振的發生，是比較直接和簡便（biàn）的解決方案，而（ér）加工過程（chéng）中切削顫振穩定域的（de）分（fèn）析則為銑削參數的優化選取提供了參考和依據。

Altintas 等首先（xiān）提出了零階解析法( ZOA，zero-order analytical) ，建立了基於切削厚度再生效應的動態銑（xǐ）削力模型，為選擇穩定切削狀態的切削參數提供了理論依據。Altintas 等在此基礎上繼續完善了（le）線性（xìng）再（zài）生型顫振理論方法。Liu 等基於 ZOA 方法獲得了車削、銑削加工過程中平頭刀（dāo）、球頭刀等的穩定域葉瓣圖，並分析（xī）討（tǎo）論了切削參數和模態參數對葉瓣圖的影響程度。而加工（gōng）中心主軸-刀具係統特征參數( 固有頻（pín）率、阻尼（ní）比、剛度) 的識（shí）別及銑削力係數的獲（huò）取是構建基於 ZOA 方法的顫振（zhèn）穩定域葉瓣圖（tú）的關鍵問題。

為解決某（mǒu）柴油發（fā）動機缸體生產（chǎn）線的精基準定位麵加工過程中存在的表麵振痕（hén）明顯、精度不足的問題，本文提出一種基於穩定域葉瓣圖的加工（gōng）中心銑削參數優化方（fāng）法。為構建（jiàn）準確（què）的銑削穩定性葉瓣圖，分別（bié）進行了主軸-刀具（jù）係統（tǒng）的模態實驗和銑削力仿真實（shí）驗，並以“金（jīn）屬去除效率”為（wéi）評價指標，優化選取了加工中心銑削參數。該方法有助於提高加工係統的穩定性、加工質量和加工效率（lǜ）。

1、加工中心特征參數識別

針（zhēn）對加工中心的刀具-主軸係統（tǒng）的複（fù）雜性，基於仿真實驗很難獲得其準確的模態參數，這裏通過模態錘擊實驗方法（fǎ）實現。對安裝於（yú）加工中（zhōng）心主軸上的刀具錘擊（jī）起振，以獲取其（qí）頻率響應數據，然後基（jī）於（yú） PolyLSCF頻響曲線處理算法識別出係統的固有頻率（lǜ）、剛度和阻尼比，最終獲得刀（dāo）具係統模態參數。實驗對象為缸體（tǐ）生產線上的精基準加工工序，加工中心及其主軸的整體外形如圖（tú） 1 所示，實驗用刀具為鑲片銑刀（dāo），刀齒數3，刀（dāo）片材質為金屬陶瓷。

圖 1 加工中（zhōng）心及其主軸外觀

實驗所用設備: NI-9234 數據采集儀、PC 計（jì）算機、DASP 模態測（cè）試軟件、PCB 力錘及加速度傳感（gǎn）器，基於前期的研究基礎，平台搭建（jiàn）方案如圖 2 所示［6］。圖 3a所示為（wéi）搭建的數據采集分析係統，圖 3b 所示為力錘敲擊和傳感器的布（bù）置位置（zhì），主軸軸向( Z 向) 剛度相對於（yú）X、Y 方向的振動（dòng）影響（xiǎng）可以忽略不計［7］，因此分別放置傳感器（qì）於 X、Y 方向刀尖處。進行多組（zǔ）次（cì）采集測試實驗，將測試所得的頻響函數曲線分 X、Y 方向進行平均擬（nǐ）合計算，結（jié）果如圖 4 所示。

利用東（dōng）方（fāng）所（suǒ） DASP 模態分析軟件，基（jī）於 PolyLSCF頻響曲線處理算法，對頻響函數數（shù）據進行分析處理，最終獲得（dé）刀具係統 X、Y 向的模態參數，如（rú）表 1 所示。

圖 2 模態實驗的測試裝置示意圖

圖 3 模態實（shí）驗平台

圖 4 刀具（jù）頻響函數曲線

表 1 刀（dāo）具係統模（mó）態參數

2 、銑削力係數的獲取

2． 1 銑削力係數辨識理論

上文（wén）已知，主軸軸向( Z 向) 剛度相（xiàng）對於 X、Y 方向的振動影響可以忽略不計，因此，本文銑削（xuē）實驗對象可簡化為二維銑（xǐ）削力模型，即正交切削模型。該模型將動（dòng）態變化的切削力分解為兩個垂直正交方向上的切向力和徑（jìng）向力，且兩個力之間具有線性關係，每（měi）個方向

的銑（xǐ）削力對應一個銑削力係數，其基本公式為:

將公式( 1) 進行坐標（biāo）變換和積分運算，得出每齒周期（qī）平均銑削力（lì）:

2． 2 銑削力仿真及銑削力係數求解

為求解銑削力係數，首先進行基於 DEFOＲM 有限元分（fèn）析軟件的銑削力仿真實（shí）驗，以獲得不同切削深度ap下的 Fx、Fy銑削力值。所用刀（dāo）片（piàn）材料為金屬陶瓷，工件材料為 HT250，材料性能（néng）參數如表 2 所示。

表 2 刀具與工件熱-力學參（cān）數

在 DEFOＲM-3D 軟件（jiàn）中設置實驗切削參數，進行銑削模擬，仿真得到的銑削力曲（qǔ）線如圖 5 所示。將所獲得的仿真信號（hào）曲（qǔ）線（xiàn）小波分解重構去噪（zào）後，求取其有效值，計算（suàn）出的銑削係數如（rú）表 3 所示。

圖 5 模擬仿（fǎng）真銑削力變化曲線

表 3 銑削係數

3 、銑削穩定性葉瓣圖的構建

銑削穩定性葉瓣圖表（biǎo）示了軸向臨界切深相對於主軸轉速的二維關係［，可直觀看出（chū）銑（xǐ）削穩（wěn）定性的（de）切削極限，相（xiàng）關表達式為:

針對上述存在的問題，由葉瓣圖可直觀看出（chū），在切削（xuē）用量給定的前提下，主軸轉速選擇在 800r /min ～1100r /min 的範圍可避開顫振區域，且在該範圍內切深的選擇也更加廣泛，這對實際（jì）加工（gōng）過程中切削參（cān）數的選擇具（jù）有現實的指導意義。

圖 6 HT250 銑（xǐ）削穩定（dìng）性葉瓣圖

4 、實驗驗證及銑（xǐ）削參數（shù）優化

4． 1 實驗驗（yàn）證

加工中心銑削參數（shù）的優化建立在葉瓣圖構建的準（zhǔn）確性上，為此，需要進行實際（jì）切削實驗驗證，驗證選取點的位置如圖（tú） 6 所示，參數如表 4 所示，同時采用觀測器實時監測切削過程是否發生顫振。

表 4 驗證實驗（yàn）切削參數

首先，從葉瓣圖（tú）中可（kě）看出，A 點在理論上應處於穩定切削區域內。對實驗采集到的信號做 FFT 變換，通過（guò）頻譜（pǔ）可獲取各頻率在振（zhèn）動中的幅值大小，由切削參數可知，對應的（de）轉頻為50Hz，同時頻域中會出（chū）現50 /3Hz的倍頻。驗證點 A 的加速度振動頻域（yù）信號如圖 7 所示，可以看出，最大幅（fú）值出現在頻率為 300Hz處，且（qiě）該頻率為轉頻的倍頻。轉頻（pín）的倍頻所對應的幅（fú）值較大說明了加工中心（xīn）處（chù）於正常的切削狀態，該過程未發生顫振現象。

圖 7 A 點加速度振動的頻域信號

由葉瓣圖（tú）可初步看出，B 點從理論上應處於切削顫振域。在該點的切削參數下（xià），對應的轉頻為 65Hz，同時頻（pín）域中會（huì）出現 65 /3Hz 的倍頻。驗證點（diǎn） B 的加速度振動頻（pín）域信號如圖 8 所（suǒ）示，相較於 A 點，其振動幅值明（míng）顯較大，且最（zuì）大幅值出現在頻率為 496． 1Hz 處，可以看出，該（gāi）頻率並不是轉頻的倍頻，它處於加工（gōng）中（zhōng）心主軸2 階固有顫振頻率附近。除此之（zhī）外，銑削參數選擇的不合理（lǐ），也同時致使加工中心的不對中等原因引起的（de）振動更加明顯。通過分析可知，基於 B 點切削參數進行（háng）的銑削加工，會導致（zhì）加工過程中顫振問題的發生（shēng），從而驗證了葉瓣圖構建的準確性。

圖 8 B 點加速度振動（dòng）的頻域信號

4． 2 銑削參數優化

前文已經驗證了葉瓣圖的正確性，並基於（yú）葉瓣圖可直觀看出穩定切削和顫振區域的界限，為尋求實際加工過程中的最佳（jiā）切削性能，在此基礎上進行加工中心（xīn）的（de）銑削參數優化。為（wéi）描述最（zuì）佳銑削（xuē）參（cān）數的（de）選取，這裏采用金屬去除效率的概念，其表達式如下:

以 Q 值為評價指標，葉瓣圖曲線上部分是顫振切削區域，下（xià）部分是穩定切削區域，1000rpm、2000rpm 附近有（yǒu）較大的選擇範圍，2000rpm 雖然轉速高，但是可供選擇的切深（shēn）範圍 ap太窄，Q 值較小，而在 1000rpm 附近切深選擇範圍寬，最（zuì）大允（yǔn）許切削深度達到（dào） 1． 4mm。因此，建議以 1000rpm 轉速為中心，選取合適的切削深度。

5 、結論

( 1) 基於刀具的模（mó）態錘（chuí）擊實驗及銑削力（lì）係數（shù）辨識方法，構（gòu）建了（le）加工中心銑削穩定性葉瓣圖，並選取不（bú）同的驗證點，進行（háng）實（shí）際的切削實驗，驗證了葉瓣圖的（de）正確性，該葉瓣圖為銑削參數的選擇提供了有益參考（kǎo），有助於提高加工效率（lǜ），增加係統的穩定性。

( 2) 以“金屬去（qù）除效率”為評價指標，基於葉瓣圖進行了加工中心銑削參數的優化（huà），最終建議以1000rpm 轉速為（wéi）中心，選取合適的（de）切削深度（dù）。

( 3) 在製（zhì）定加工工藝參（cān）數時，應綜合考慮切削（xuē）深度、切削速度等因素，在穩定切削區域（yù）內選擇最（zuì）優的參數搭配，這既能保證加工係統的穩定性（xìng），又能提高加工質量和加工效率。

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