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切削参数对减振镗杆振动性能的影响研究

   日期:2018-10-10 17:31     来源:原载《工具技术》 作者:谭骏    
核心提示:镗削加工是孔加工的主要手段之一。由于切削振动的原因,镗削加工存在加工件表面粗糙、切削效率低和刀具磨损快的问题。按照采用手
镗削加工是孔加工的主要手段之一。由于切削振动的原因,镗削加工存在加工件表面粗糙、切削效率低和刀具磨损快的问题。按照采用手段的不同,可以将当前的减振技术分为三种:
 
①利用反馈来控制系统的主动减振技术。由主动减振思想研制的主动式减振器具有良好的隔振性能,并且能够同时消除共振频率附近的振动放大,因此被广泛应用于精密机床、半导体光刻设备和精密测量设备。
 
②采用半主动控制思想的半主动减振技术。其与主动控制的差别在于不向被控系统输入能量,而是通过智能材料调整切削系统的动态参数特性来避免切削振动。半主动减振技术的优势在于减振器的各个减振参数可以随实际振动情况的变化进行修改和自适应调节。
③通过增加切削系统静刚度或者提高动刚度来抑制切削颤振的被动减振技术。目前世界知名刀具厂商大多基于此类思想设计减振刀具,例如日本的东芝和三菱公司、美国的肯纳金属公司、瑞典的山特维克公司。被动减振的思想是内置被动式动力减振器,其优势在于可以根据不同的长径比悬伸要求,针对特定的产品需求进行减振系统的设计,能够充分应对产品加工的各种标准化以及非标要求。
 
目前国内对内置式减振镗杆的研究涉及以下方面:从虚拟仿真和参数优化方面对内置式减振镗杆进行结构优化和动态特性分析;对国外的减振镗杆进行模态试验和参数比较以指导同类产品的设计和研发;在ANSYS仿真环境下研究切削参数对内置式减振镗杆振动的影响。
 
研究减振镗杆的振动性能,除仿真分析外,对镗杆进行试制和试验也是一种非常重要的途径。本文的研究对象为基于被动减振思想试制的减振镗杆,通过单因素法对其进行改变切削参数的切削试验,采集各种切削参数下对应的镗杆振动信号并用信号处理软件进行时域上的信号波形显示,比较各信号波形并归纳各切削参数对镗杆减振性能的影响,对该款减振镗杆的后续性能改进提供技术参考。

1 平台搭建及试验描述
 
试验的主要设备有:INV9822型加速度传感器、八通道INV3062C分布式/云智慧采集仪、DASP模态分析软件及笔记本电脑一台。镗杆悬伸长径比为8,分别在镗杆的径向和切向方向安装加速度传感器,加速度传感器和镗杆通过传感器头上的磁力座连接。镗杆的振动信号由加速度传感器进行采集,试验数据的接收和处理交由INV3062C分布式/云智慧采集仪和分析软件完成。在CK7832B数控车床上进行试验。
图1 减振镗杆
 
图1为减振镗杆。整个减振镗杆由可换刀头、杆身以及若干减振器件装配而成,内置的质量块选用高密度合金材料,由橡胶材料实现质量块的支撑。其简易结构和具体参数分别见图2和表1。
1.可换刀头2.刀头与刀杆的连接部位3.高密度合金质量块4.镗杆5.刀柄夹持区
图2 减振镗杆简易结构
表1 减振镗杆参数
针对减振镗杆的圆柱状杆身,设计了与机床和镗杆配套的专用夹具以实现镗杆的安装,图3为切削试验中减振镗杆的安装图。试切工件安装于图片左侧的三爪卡盘上,材料为42CrMo。
图3 减振镗杆的切削试验安装
 
2 试验结果分析
试验主要研究切削线速度、进给速度、背吃刀量三个参数单一变化时对镗杆振动性能的影响。采用单因素法,在加工允许范围内依次改变三个切削参数,分别采集各自切削参数下对应的振动信号进行分析。
(1)线速度对镗杆切削振动的影响
试验中,将进给速度和背吃刀量分别固定设为0.1mm/r和0.2mm,切削线速度依次取值100m/min、120m/min、140m/min、160m/min、180m/min、200m/min和220m/min。
图4为线速度为100m/min时的镗杆径向振动时域波形图,从图中可以得到在此切削线速度下镗杆径向的最大振动加速度值约为120m/s²。同理,根据镗杆切向上加速度采集到的振动信号,可以得到镗杆切向的最大振动加速度值。
图4 100m/min线速度下径向振动时域波形
分别采集各切削线速度下对应的最大径向和切向振动加速度值并整理成折线图(见图5)。从图中可以看出,随着线速度的逐渐增大,镗杆径向和切向上的振动也逐渐增大,因此,对该镗杆应在满足加工要求的前提下尽量选用较小的切削线速度值。
图5 不同线速度下的最大径向和切向振动加速度
(2)进给速度对镗杆切削振动的影响
试验中,将切削线速度和背吃刀量分别固定为140m/min和0.2mm,进给速度依次取值0.1mm/r、0.15mm/r、0.2mm/r、0.25mm/r、0.3mm/r和0.35mm/r。
图6为进给速度为0.1mm/r时采集到的镗杆径向振动时域波形图。从图中可以看出,在此进给速度下镗杆径向的最大振动加速度值约为220m/s²。同理,根据镗杆切向上加速度采集到的振动信号,可以得到镗杆切向的最大振动加速度值。
图6 0.1mm/r进给速度下径向振动时域波形
如图7所示,分别采集各进给速度下对应的最大径向和切向振动加速度值,并整理成折线图。可以看出,在进给速度小于等于0.25mm/r时,增加进给速度可以减小镗杆的振动,但在进给速度大于0.25mm/r后,镗杆的振动随着进给速度的增大而急剧增大,并且在切削过程中会出现不稳定的大幅波动。
图8为进给速度为0.3mm/r时镗杆的径向振动加速度时域波形图。在切削加工时,为保证良好的加工质量,镗杆进给速度的取值应尽量小于0.3mm/r。
图7 不同进给速度下的最大径向和切向振动加速度
图8 0.3mm/r进给速度下径向振动时域波形
(3)背吃刀量对镗杆切削振动的影响
试验中,将切削线速度和进给速度分别固定为140m/min和0.15mm/r,背吃刀量依次取值0.1mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm、1.3mm和1.5mm。图9为背吃刀量为0.1mm时采集的镗杆径向振动时域波形图。可以看出,在此背吃刀量下镗杆径向的最大振动加速度值约为180m/s²。同理,根据镗杆切向上采集到的加速度振动信号,可以得到镗杆切向的最大振动加速度值。
如图10所示,分别采集各背吃刀量下对应的最大径向和切向振动加速度值,并整理成折线图。可以看出,随着背吃刀量的逐渐增大,镗杆的振动也逐渐加大;在背吃刀量小于1.1mm时,镗杆的振动较小且全程振动较稳定,当背吃刀量大于1.1mm时,镗杆振动迅速加大,因此切削中的背吃刀量应尽量选1.1mm以下取值。
图9 0.1mm背吃刀量下径向振动时域波形
图10 不同背吃刀量下的最大径向和切向振动加速度
 
小结
采用单因素法对减振镗杆进行了变切削参数下的切削试验,采集切削振动信号并对信号进行时域下的波形对比分析,得出以下结论:该减振镗杆在三种切削参数变化下的径向振动小于切向振动,有利于减小振动对加工表面质量的影响;镗杆的振动随着线速度的逐渐增大而增大;在一定范围内,适当增大进给速度和背吃刀量可以在保证加工质量的前提下提高加工效率,但当进给速度超过0.3mm/r或背吃刀量大于1.1mm时,镗杆的振动情况变得不稳定,振动加剧。因此,在实际使用该镗杆时,应根据实验结果范围合理选用切削参数以保证加工质量,在该镗杆后续的性能改进过程中,本次试验数据可作为技术参考。
 
 
 
 
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