基于穩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 作者：孟祥忠
摘要: 以某柴油發動機缸體生產線的精基準定位面加工工序為研究對象，針對加工過程中存在的表面振痕明顯、精度不足的問題，提出一種基于穩定域葉瓣圖的加工中心銑削參數優化方法。分別進行了模態錘擊實驗和銑削力仿真實驗，以獲取加工中心的特征參數和銑削力系數，進而構建銑削穩定性葉瓣圖，并實驗驗證了葉瓣圖的準確性。在此基礎上，以“金屬去除效率”為評價指標，優化選取了加工中心銑削參數。該方法有助于提高加工系統的穩定性、加工質量和加工效率。
關鍵詞: 模態實驗; 銑削力仿真; 穩定域葉瓣圖; 銑削參數
0 引言
發動機缸體面的銑削加工屬于平面加工，對加工表面的精度要求比較嚴格，尤其是對于與缸蓋接觸的加工面 。銑削過程中過大的振動不僅會影響加工表面精度和產品質量，還會導致系統穩定性和可靠性的降低，甚至帶來安全事故，故銑削過程中的顫振是必須要避免的。對于已經投產的發動機缸體生產線，加工工序已被確定，且專用夾具和專用刀具無法更改，則通過合理的選擇銑削參數以減小顫振的發生，是比較直接和簡便的解決方案，而加工過程中切削顫振穩定域的分析則為銑削參數的優化選取提供了參考和依據。
Altintas 等首先提出了零階解析法( ZOA，zero-order analytical) ，建立了基于切削厚度再生效應的動態銑削力模型，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線性再生型顫振理論方法。Liu 等基于 ZOA 方法獲得了車削、銑削加工過程中平頭刀、球頭刀等的穩定域葉瓣圖，并分析討論了切削參數和模態參數對葉瓣圖的影響程度。而加工中心主軸-刀具系統特征參數( 固有頻率、阻尼比、剛度) 的識別及銑削力系數的獲取是構建基于 ZOA 方法的顫振穩定域葉瓣圖的關鍵問題。
為解決某柴油發動機缸體生產線的精基準定位面加工過程中存在的表面振痕明顯、精度不足的問題，本文提出一種基于穩定域葉瓣圖的加工中心銑削參數優化方法。為構建準確的銑削穩定性葉瓣圖，分別進行了主軸-刀具系統的模態實驗和銑削力仿真實驗，并以“金屬去除效率”為評價指標，優化選取了加工中心銑削參數。該方法有助于提高加工系統的穩定性、加工質量和加工效率。
1、 加工中心特征參數識別
針對加工中心的刀具-主軸系統的復雜性，基于仿真實驗很難獲得其準確的模態參數，這里通過模態錘擊實驗方法實現。對安裝于加工中心主軸上的刀具錘擊起振，以獲取其頻率響應數據，然后基于 PolyLSCF頻響曲線處理算法識別出系統的固有頻率、剛度和阻尼比，最終獲得刀具系統模態參數。實驗對象為缸體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 1 所示，實驗用刀具為鑲片銑刀，刀齒數3，刀片材質為金屬陶瓷。
圖 1 加工中心及其主軸外觀
實驗所用設備: NI-9234 數據采集儀、PC 計算機、DASP 模態測試軟件、PCB 力錘及加速度傳感器，基于前期的研究基礎，平臺搭建方案如圖 2 所示［6］。圖 3a所示為搭建的數據采集分析系統，圖 3b 所示為力錘敲擊和傳感器的布置位置，主軸軸向( Z 向) 剛度相對于X、Y 方向的振動影響可以忽略不計［7］，因此分別放置傳感器于 X、Y 方向刀尖處。進行多組次采集測試實驗，將測試所得的頻響函數曲線分 X、Y 方向進行平均擬合計算，結果如圖 4 所示。
利用東方所 DASP 模態分析軟件，基于 PolyLSCF頻響曲線處理算法，對頻響函數數據進行分析處理，最終獲得刀具系統 X、Y 向的模態參數，如表 1 所示。
圖 2 模態實驗的測試裝置示意圖
圖 3 模態實驗平臺
圖 4 刀具頻響函數曲線
表 1 刀具系統模態參數
2 、銑削力系數的獲取
2． 1 銑削力系數辨識理論
上文已知，主軸軸向( Z 向) 剛度相對于 X、Y 方向的振動影響可以忽略不計，因此，本文銑削實驗對象可簡化為二維銑削力模型，即正交切削模型。該模型將動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向力，且兩個力之間具有線性關系，每個方向
的銑削力對應一個銑削力系數，其基本公式為:
將公式( 1) 進行坐標變換和積分運算，得出每齒周期平均銑削力:
2． 2 銑削力仿真及銑削力系數求解
為求解銑削力系數，首先進行基于 DEFOＲM 有限元分析軟件的銑削力仿真實驗，以獲得不同切削深度ap下的 Fx、Fy銑削力值。所用刀片材料為金屬陶瓷，工件材料為 HT250，材料性能參數如表 2 所示。
表 2 刀具與工件熱-力學參數
在 DEFOＲM-3D 軟件中設置實驗切削參數，進行銑削模擬，仿真得到的銑削力曲線如圖 5 所示。將所獲得的仿真信號曲線小波分解重構去噪后，求取其有效值，計算出的銑削系數如表 3 所示。
圖 5 模擬仿真銑削力變化曲線
表 3 銑削系數
3 、銑削穩定性葉瓣圖的構建
銑削穩定性葉瓣圖表示了軸向臨界切深相對于主軸轉速的二維關系［，可直觀看出銑削穩定性的切削極限，相關表達式為:
針對上述存在的問題，由葉瓣圖可直觀看出，在切削用量給定的前提下，主軸轉速選擇在 800r /min ～1100r /min 的范圍可避開顫振區域，且在該范圍內切深的選擇也更加廣泛，這對實際加工過程中切削參數的選擇具有現實的指導意義。
圖 6 HT250 銑削穩定性葉瓣圖
4 、實驗驗證及銑削參數優化
4． 1 實驗驗證
加工中心銑削參數的優化建立在葉瓣圖構建的準確性上，為此，需要進行實際切削實驗驗證，驗證選取點的位置如圖 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 驗證實驗切削參數
首先，從葉瓣圖中可看出，A 點在理論上應處于穩定切削區域內。對實驗采集到的信號做 FFT 變換，通過頻譜可獲取各頻率在振動中的幅值大小，由切削參數可知，對應的轉頻為50Hz，同時頻域中會出現50 /3Hz的倍頻。驗證點 A 的加速度振動頻域信號如圖 7 所示，可以看出，最大幅值出現在頻率為 300Hz處，且該頻率為轉頻的倍頻。轉頻的倍頻所對應的幅值較大說明了加工中心處于正常的切削狀態，該過程未發生顫振現象。
圖 7 A 點加速度振動的頻域信號
由葉瓣圖可初步看出，B 點從理論上應處于切削顫振域。在該點的切削參數下，對應的轉頻為 65Hz，同時頻域中會出現 65 /3Hz 的倍頻。驗證點 B 的加速度振動頻域信號如圖 8 所示，相較于 A 點，其振動幅值明顯較大，且最大幅值出現在頻率為 496． 1Hz 處，可以看出，該頻率并不是轉頻的倍頻，它處于加工中心主軸2 階固有顫振頻率附近。除此之外，銑削參數選擇的不合理，也同時致使加工中心的不對中等原因引起的振動更加明顯。通過分析可知，基于 B 點切削參數進行的銑削加工，會導致加工過程中顫振問題的發生，從而驗證了葉瓣圖構建的準確性。
圖 8 B 點加速度振動的頻域信號
4． 2 銑削參數優化
前文已經驗證了葉瓣圖的正確性，并基于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切削性能，在此基礎上進行加工中心的銑削參數優化。為描述最佳銑削參數的選取，這里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，下部分是穩定切削區域，1000rpm、2000rpm 附近有較大的選擇范圍，2000rpm 雖然轉速高，但是可供選擇的切深范圍 ap太窄，Q 值較小，而在 1000rpm 附近切深選擇范圍寬，最大允許切削深度達到 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) 基于刀具的模態錘擊實驗及銑削力系數辨識方法，構建了加工中心銑削穩定性葉瓣圖，并選取不同的驗證點，進行實際的切削實驗，驗證了葉瓣圖的正確性，該葉瓣圖為銑削參數的選擇提供了有益參考，有助于提高加工效率，增加系統的穩定性。
( 2) 以“金屬去除效率”為評價指標，基于葉瓣圖進行 了 加 工 中 心 銑 削 參 數 的 優 化，最 終 建 議 以1000rpm 轉速為中心，選取合適的切削深度。
( 3) 在制定加工工藝參數時，應綜合考慮切削深度、切削速度等因素，在穩定切削區域內選擇最優的參數搭配，這既能保證加工系統的穩定性，又能提高加工質量和加工效率。
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