趙 強(qiáng)，李金泉

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

切削過程中的刀具振動(dòng)是多種因素耦合作用的結(jié)果。其中機(jī)床的結(jié)構(gòu)、工件的材料及性能、刀具參數(shù)等是影響刀具振動(dòng)的主要因素[1]。刀具振動(dòng)會影響加工表面質(zhì)量[2]。

切削振動(dòng)的危害主要有：①工件和刀具之間的相對運(yùn)動(dòng)不均勻，摩擦不均衡，導(dǎo)致加工表面的質(zhì)量不好；②降低機(jī)床和刀具的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致加工不能正常進(jìn)行，甚至?xí)霈F(xiàn)事故；③產(chǎn)生噪聲污染，危害相關(guān)人員的身體健康，甚至直接造成加工事故；④使加工效率變低，增大加工成本[3]。

在切削振動(dòng)研究領(lǐng)域，郭東升等對高硬度鋁合金進(jìn)行切削，發(fā)現(xiàn)降低切削力可以增大刀具振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率[4]；姜彬等通過車削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沿進(jìn)給方向的刀具振動(dòng)對加工表面質(zhì)量的影響較大[5]；STURESSON等發(fā)現(xiàn)振動(dòng)功率取決于切削用量、工件材料的性能和機(jī)床系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)刀具振動(dòng)不是均勻分布的[6]；VENKATA 等采用方差和回歸方程等分析方法，對刀具表面粗糙度和工件振動(dòng)幅值進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)工件的振動(dòng)幅值隨著刀具磨損程度的增加而增大，且鼻半徑是影響工件振動(dòng)幅值的主要參數(shù)[7]；朱楠通過切削TC4和有限元分析發(fā)現(xiàn)，刀具在進(jìn)給方向的振動(dòng)對加工表面應(yīng)力和表面溫度影響較小[8]；范鵬飛等通過切削TA15和TC4發(fā)現(xiàn)，在同樣的切削用量下，前者的振動(dòng)加速度小于后者[9];王晨羽等研究發(fā)現(xiàn)，切削振動(dòng)加速度隨著進(jìn)給量的增大而增大[10]。

本文擬對40Cr合金鋼在不同切削用量時(shí)的切削振動(dòng)進(jìn)行分析，對刀具振動(dòng)加速度進(jìn)行傅里葉變換，以便了解不同切削條件下刀具的振動(dòng)幅度，為實(shí)際加工過程切削用量的選擇提供參考。

1 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

切削試驗(yàn)選用型號為CCMT09T3 08-MF1105的涂層硬質(zhì)合金刀具。刀具參數(shù)為：前角γ0=0°，后角α0=7°，刃傾角λs=0°，主偏角Kr=90°，圓弧半徑rε=0.8 mm。刀桿型號為SCLCR2525M09。

試驗(yàn)用機(jī)床為CA6140A型，加工材料為40Cr合金鋼棒材，采用單因素試驗(yàn)法進(jìn)行干式切削。工件直徑為100 mm，長度為300 mm。將試樣沿著長度方向分成若干段，進(jìn)行10次切削試驗(yàn)。試驗(yàn)序號為1～10。采用美國生產(chǎn)的DYTRAN加速度傳感器(型號為3035B)進(jìn)行刀具振動(dòng)數(shù)據(jù)測量，且振動(dòng)加速度傳感器是貼在刀尖附近的(圖1)。

圖1 加速度傳感器在刀尖附近的布置

采用120 mm位相光柵干涉粗糙度輪廓儀進(jìn)行加工表面粗糙度的測量。切削用量及試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 切削用量及試驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出：對應(yīng)于Y方向振動(dòng)加速度最大值(4.186gm/s2)和Z方向振動(dòng)加速度最大值(5.469gm/s2),加工表面的粗糙度為1.44 μm;對應(yīng)于進(jìn)給量最大值(0.24 mm/r)，加工表面粗糙度最大，其值為1.87 μm。

2 切削速度對刀具振動(dòng)的影響

在進(jìn)給量和背吃刀量保持不變時(shí)，對表1中試驗(yàn)號為1、2和3(按切削速度從小到大排序)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行去空轉(zhuǎn)、平滑處理后，用Matlab軟件進(jìn)行傅里葉變換,可得圖2所示刀具振動(dòng)加速度隨切削速度的變化規(guī)律；同時(shí)，對該組試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Origin軟件進(jìn)行傅里葉變換，可得圖3所示刀具振幅隨振動(dòng)頻率和切削速度的變化規(guī)律。

圖2 刀具振動(dòng)加速度隨切削速度的變化規(guī)律

由圖2可以看出：隨著切削速度的逐漸增大，X方向和Z方向的刀具振動(dòng)加速度變化不大，而Y方向的刀具振動(dòng)加速度會逐漸變小。

圖3 刀具振幅隨振動(dòng)頻率和切削速度的變化規(guī)律

由圖3可以看出：在刀具振動(dòng)頻率為0.96～1.2 MHz時(shí)，刀具振幅較大；刀具振幅隨切削速度的增大而增大。

3 進(jìn)給量對刀具振動(dòng)的影響

在切削速度和背吃刀量保持不變時(shí)，對表1中試驗(yàn)號為5、6、3和7(按進(jìn)給量從小到大排序)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行去空轉(zhuǎn)、平滑處理后，用Matlab軟件進(jìn)行傅里葉變換,可得圖4所示刀具振動(dòng)加速度隨進(jìn)給量的變化規(guī)律；同時(shí)，對該組試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Origin軟件進(jìn)行傅里葉變換，可得圖5所示刀具振幅隨振動(dòng)頻率和進(jìn)給量的變化規(guī)律。

圖4 刀具振動(dòng)加速度隨進(jìn)給量的變化規(guī)律

圖5 刀具振幅隨振動(dòng)頻率和進(jìn)給量的變化規(guī)律

由圖4可以看出，隨著進(jìn)給量的增大，刀具振動(dòng)加速度也增大，在進(jìn)給量為0.24 mm/r時(shí)，3個(gè)方向的振動(dòng)加速度是最大的。由圖5可以看出：在進(jìn)給量逐漸增大時(shí)，振幅也增大，在進(jìn)給量為0.24 mm/r時(shí)，刀具振幅最大；刀具振動(dòng)頻率在0.48～0.96 MHz時(shí)，刀具振幅較小。

4 背吃刀量對刀具振動(dòng)的影響

在切削速度和進(jìn)給量不變的情況下，對表1中試驗(yàn)號為8、9、3和10(按背吃刀量從小到大排序)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行去空轉(zhuǎn)、平滑處理后，用Matlab軟件進(jìn)行傅里葉變換,可得圖6所示刀具振動(dòng)加速度隨背吃刀量的變化規(guī)律；同時(shí)，對該組試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Origin軟件進(jìn)行傅里葉變換，可得圖7所示刀具振幅隨振動(dòng)頻率和背吃刀量的變化規(guī)律。

圖6 刀具振動(dòng)加速度隨背吃刀量的變化規(guī)律

圖7 刀具振幅隨振動(dòng)頻率和背吃刀量的變化規(guī)律

由圖6可以看出：隨著背吃刀量的增大，Y方向和Z方向的刀具振動(dòng)加速度逐漸增大，在背吃刀量為0.20 mm時(shí)達(dá)到最大值，爾后減??；而X方向的刀具振動(dòng)加速度逐漸增大。由圖7可以看出：隨著背吃刀量的增加，刀具振幅先增大，后減??；在刀具振動(dòng)頻率為0.96～1.2 MHz時(shí)，刀具的振幅最大。

5 結(jié) 論

(1) 切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量對刀具在Y方向的振動(dòng)加速度影響較大。

(2) 刀具振動(dòng)頻率在0.48～0.96 MHz時(shí)，刀具振幅較小，加工表面的完整性較好。

(3) 進(jìn)給量對加工表面粗糙度的影響較大，在進(jìn)給量為0.24 mm/r時(shí)，表面粗糙度最大，達(dá)1.87 μm。