1、單點金剛石車削中刀具工件相對振動的研究 *?單點金剛石車削中刀具?工件相對振動的研究?1? 1? 2?趙清亮? 陳俊云? 羅 健?1.?哈爾濱工業大學精密工程研究所 哈爾濱? 150001;?2.?中國石油技術開發公司 北京? 100028?摘要:在納米級車削表面形成中刀具和工件間的相對振動為主要影響因素之一。現有相對振動的研究方法包括譜分析法、直 接測量法和切削力分析法,但均不能同時滿足真實反映切削過程中的相對振動和很好地預測表面粗糙度的要求,致使納米級 表面粗糙度的預測精度較低。針對上述問題,通過分析和提取單點金剛石車削已加工表面輪廓數據、定義等效振幅的概念和 計算方法,提出一種新的刀具和

2、工件間的相對振動提取和檢測方法用于預測表面粗糙度。分析結果表明實際加工中的相對振 動不是恒定的,它主要受主軸轉速和材料特性的影響,其中加工非均質材料時的相對振動取決于夾雜相的尺度及刀具和工件 間接觸長度的相對大小且大于加工均質材料時的相對振動。最后通過預測表面粗糙度來驗證提出的檢測方法,較高的預測精 度說明該方法可得到更接近于真實情況的相對振動信息。 關鍵詞:等效振幅 刀具?工件相對振動 表面粗糙度 單點金剛石車削 中圖分類號:TH161.1?Investigation?on?the Relative Tool?work Vibration?in Single?point Diamond?Tu

3、rning?1? 1? 2?ZHAO?Qingliang? CHEN?Junyun? LUO?Jian?1.Center?for?Precision?Engineering,?Harbin?Institute?of?Technology,?Harbin?1500012.?China?Petroleum?Technology?and?Development?Corporation,?Beijing?100028?Abstract:The?relative?tool?work?vibration?is?one?of?the?dominating factors?in?forming?nano?sc

4、ale?surface,?which?is?generally?studied?by?using?spectrum?analysis?method,?direct?measuring?approach?and?cutting?force?method.?However,?all?of?them?cannot?be?used?to?predict? surface? roughness? and? cannot? gain? the? true? vibration? information? in? cutting? process? simultaneously,? which? impac

5、ts? the?prediction?accuracy?of?surface?roughness.?In?order?to?solve?the?issues,?a?new?method?of?extracting?and?measuring?relative?tool?work?vibration? in? single? point? diamond? turning? is? presented? through? extracting? data? from? machined? surface? and? defining? equivalent?amplitude? to?analy

6、ze? how? the? vibration? is?influencedThe? analysis? results?indicate?that? the? relative?tool?work? vibration?is? mainly?influenced?by?spindle?speed?and?material?characteristic.?Furthermore,?the?relative?vibration?in?machining?an?inhomogeneous?material,?which?depends?on?the?relationship?between?the

7、?trapped?phase?and?contact?size?of?the?tool,?is?larger?than?the?homogeneous?materials,?Finally,?the?extracted?vibration?is?used?to?predict?surface?roughness.?Higher?prediction?accuracy?shows?the?vibration?extracted?by?this?method?is?closer?to?the?true?vibration?in?cutting?than?other?methodsKey?words

8、:Equivalent?amplitude Relative?tool?work?vibration Surface?roughness Single?point?diamond?turning?復形成的輪廓與刀具和工件的相對振動曲線的疊加?*?13?0? 前言? 。因此,相對振動的研究對于分析納米級表面 4,5?形成機理和表面粗糙度預測至關重要? 。實際加工 在單點金剛石車削加工中,表面輪廓的形成過 過程中刀具和工件間相對振動主要包括機床本身的 程被認為是刀具輪廓以每轉的進給量為間隔不斷重 振動、加工參數改變引起的振動、切削力和材料特 性引起的振動。目前,一般采用三種方法研究相對 振動:1譜

9、分析法;2?直接測量法;3? 切削力分 * 國家自然科學基金51075093和“高檔數控機床與基礎制造裝備”國 家科技重大專項課題09ZX04001?151資助項目。*收到初稿,? 析法。*收到修改稿 譜分析法是對已加工表面的測量輪廓進行譜分 1.2? 相對振動的提取和檢測方法 6?對端面車削加工后的工件表面沿徑向進行檢 析提取相對振動成份。 S?ATA等? 早采用二維輪廓的 測,根據檢測的表面輪廓曲線和數據,提取刀尖在 譜分析法發現振動成份在波長較長的頻段;?7?徑向相對于工件的位移曲線,它代表實際加工過程 CHEUNG? 等? 用二維輪廓的多譜分析法發現由材 中刀具和工件間相對振動即相對位

10、移在徑向的反 料各向異性引起的振動對表面粗糙度影響顯著;此 3?映。如圖?1所示。 外,KIM?等? 對加工表面的三維輪廓進行譜分析提 0.20?已加工表面的輪廓曲線取振動的信息用于分析相對振動對加工表面三維形 0.10?貌的影響。由此可見,譜分析法提取相對振動可用 0.00?于分析表面形成機理,但不能預測表面粗糙度。直0.10?接測量法是用測量設備直接測量空轉時的主軸振動 刀尖相對于工件的位移0.20?2?或直接測量刀具振動;CHEUNG?等? 和? CHANG? 42.16? 42.20? 42.24? 42.28? 42.32? 42.36? 42.40?測量長度?L/mm?8?等? 分

11、別用電容位移傳感器測量主軸振動信息用于 圖 1?從已加工表面提取刀尖相對于工件的位移 9? 10?預測表面粗糙度;BORYCZKO? 、RISBOOD?等?這里假設?x?軸方向為刀具進給方向,z?軸為刀 11?和 ABOUELATTA等? 分別在刀具上配置測量設備 具切深方向,坐標原點在加工工件端面沿徑向直徑 測量刀具振動信息用于分析刀具振動對表面粗糙度 最大處,則沿徑向刀具輪廓的數目為?L?的影響,以及采用神經網絡或通過試驗建立經驗公 1?N ?s?式的方法預測表面粗糙度。但是這種方法得到振動 式中? L?徑向檢測的長度?是主軸或是刀具的振動,不能代表切削過程中刀具 s?刀具每轉的進給量 和

12、工件間的相對振動。切削力分析法是根據微塑性 因此從已加工表面的檢測曲線上提取數據的數 模型或試驗建立切削力的模型,然后計算切削力引 目也為?N,則提取數據的?x?向坐標為?1214?起的刀具和工件間的相對位移即為相對振動? 。 2?x? ?x? + ?i?- 1D x? x? + i - 1?s?i? 1 1?該方法認為切削力是引起相對振動的唯一來源,而 式中? x?提取第 i個數據的 x向坐標, i?1,? 2?,?N?i忽視了實際切削過程中其它因素引起的相對振動。 ?提取數據的?x?坐標間隔 D x 上述三種方法都不能同時滿足真實反映切削過 從 而 可 得 到 提 取 的 刀 尖 坐 標

13、數 據 為?。從已加工表面提取的刀具和工件間相 程中的相對振動和很好地預測表面粗糙度的要求。 ?x?,?Z?x?i? i? i?因此,本文在分析前人的研究基礎之上,以單點金 對振動的輪廓曲線為?3?Z x Z x -?minZ x ?剛石車削過程中表面粗糙度預測為出發點,針對實 m? i i i i i?式中? Z?x?提取第? i? 個數據的? z? 向坐標,?際加工過程中刀具和工件間的相對振動提出了一種 i? i?。 新的提取和檢測方法,用于表面粗糙度的預測。? i? 1,? 2?,?N?式3表示的相對振動的輪廓曲線引起的表面 粗糙度?R 的計算公式為?am?N?1? 刀具和工件間相對振動

14、的檢測方法? Z x?N?m? i?1?i? 1?4?R Z x?-?am m? i?i? 1?N N 1.1? 相對振動的研究思路 研究的基本思路:通過檢測已加工表面及檢測 式中? i? 1,? 2,.,?N?數據的處理,提取實際加工過程中相對振動的信 將提取的相對振動即式3等效為簡諧振動,設 息。由于實際加工過程中刀具和工件間的相對振動 其簡諧振動的方程為?會直接反映在工件表面上,從振動信息的可靠性來 sin2f?x? 5?Z x?A h?說,這里相對振動的研究方法更有意義。振動信息 將其離散化可得到?1?包括兩個方面:幅值和頻率。在?TAKASU等? 和?C?sin2? i?1? 6?Z

15、 x ?A fDxh? i?2?HEUNG?等? 建立的表面粗糙度預測理論模型中, 式中? Dx ? 1 /?40?f?,?i? 1, ?2?,?N?,?N ?L?/?D x?假定相對振動為恒定的正弦波,其幅值來源于空轉 則等效簡諧振動引起的表面粗糙度?R 為?ah?狀態下主軸振動主頻的幅值,頻率則是由轉速和進 N?1?7?R Z x -?Z x?ah h i h? i?給速度決定。因此,振動的幅值對表面粗糙度有著 i? 1?N 非常直接的影響。所以,本文提取相對振動的關鍵 刀具和工件間相對振動等效為簡諧振動的原則 為兩者引起的表面粗糙度相同,即 信息為振動的幅值。?測量曲線高度?h/m?8?

16、R ?R 由于本文是以預測表面粗糙度為出發點研究相 ah am?通過式4、式7和式8求解等效振幅 A的值。? 對振動,如果在各種條件下,都要通過測量加工表 A?即為實際加工中刀具和工件間相對振動的幅值 面來提取相對振動,這就喪失了表面粗糙度預測的 信息。?意義。本節則是通過理論和試驗分析研究相對振動 的主要影響因素,建立相對振動與其主要因素之間 2? 單點金剛石車削加工試驗 的映射關系,從而實現表面粗糙度的預測。最后也 是通過預測表面粗糙度的方法來驗證本文提出的相 單點金剛石車削加工試驗使用的機床是納米級 對振動的提取和檢測方法。?精度的超精密車床,如圖?2?所示。試驗選用金剛石 3.1? 切

17、削參數背吃刀量、進給速度和主軸轉速對 刀具,其圓角半徑為 0.5?mm,前角 0?,后角 6?,如 相對振動的影響 圖?2?所示。觸針式輪廓儀Form? talysurf? PGI? 1240?在主軸轉速為? 1? 000? r/min? 進給速度為? 40?用于檢測已加工表面的二維表面輪廓,采用光學測 mm/min?的條件下,等效振幅隨著背吃刀量的變化 量顯微鏡 Optical? measuring? microscope,? STM6,?情況如圖 3a所示。NiP、Cu和? Al7075的等效振幅 Olympus,? Japan檢測刀具的磨損形貌。試驗中的加 隨著背吃刀量的變化很小,在一個

18、特定的轉速下基 工工件的材料分別是鍍制在鋁合金表面的非電解鎳?本上保持恒定。加工過程中切削深度決定著刀具和 NiP、紫銅Cu以及硬鋁合金Al7075。單點金剛 工件的接觸狀態,雖然切削深度的變化能改變切削 石端面車削的試驗方案如表?1所示。 力的大小,但它也影響切削材料去除過程中工件、 刀具和切屑之間的摩擦狀態。單點金剛石車削一般 夾具 金剛石刀具 采用較小的切削深度,此時切深的變化對于切削狀 態的總體影響較小,因此它對加工過程中刀具和工 件間的相對振動的影響也可以近似忽略。?工件 圖 2?超精密加工車床和金剛石刀具 表 1?試驗方案 刀具圓角半 轉速? 進給速度? 背吃刀量?編號 ?1? ?

19、1?V/r?min? ? f/mm?min? ? d/m? 徑?R/mm?1? 1?000? 25? 2? 0.5?背吃刀量?d/m?2? 1?000? 30? 2? 0.5?3? 1?000? 35? 2? 0.5?a?等效振幅隨背吃刀量的變化?4? 1?000? 40? 2? 0.5?5? 1?000? 40? 4? 0.5?6? 1?000? 40? 6? 0.5?7? 1?000? 40? 8? 0.5?8? 1?500? 25? 2? 0.5?9? 1?500? 30? 2? 0.5?10? 1?500? 35? 2? 0.5?11? 1?500? 40? 2? 0.5?12? 1?

20、500? 40? 4? 0.5?13? 1?500? 40? 6? 0.5?14? 1?500? 40? 8? 0.5?15? 2?000? 25? 2? 0.5?1?16? 2?000? 30? 2? 0.5?進給速度?f/mm?min? ?17? 2?000? 35? 2? 0.5?b? 等效振幅隨進給速度的變化 18? 2?000? 40? 2? 0.5?19? 2?000? 40? 4? 0.5?圖 3?等效振幅隨背吃刀量和進給速度的變化 20? 2?000? 40? 6? 0.5?21? 2?000? 40? 8? 0.5?從圖? 3b?可以看出,分別在特定主軸轉速的條 件下,NiP

21、?的等效振幅隨著進給速度的改變沒有明 3? 刀具和工件相對振動分析 顯的變化,基本上保持恒定。Cu?和?Al7075?的等效 振幅隨著進給速度的改變也沒有明顯的變化。這是 首先采用觸針式輪廓儀分別測量各組試驗中加 因為在切削表面形成過程中,進給速度的變化可以 工工件的表面輪廓,然后根據本文第一節提出的方 改變刀具輪廓的間隔并在一定程度上影響相對振動 法提取和檢測刀具和工件間的相對振動信息。 的頻率,而不能在很大程度上影響振動的幅值。因 等效振幅?A/nm等效振幅?A/nm?此,可以近似認為在某一轉速下,對于相同的材 顯,基本上在一個穩定的范圍內;在不同的轉速 料,等效振動的振幅不隨著背吃刀量的

22、變化而變 下,隨著轉速的提高,等效振幅變化也并不明顯。 化。 這是因為?Cu?相對于?NiP?的材料均質性稍差,主軸 對于 NiP,如圖 4a所示,可以看到在轉速一定 轉速的變大既引起主軸振動的增大,也使切削過程 的情況下,在不同的進給速度以及背吃刀量下,等 更為平穩降低了相對振動,兩者的綜合效果是相對 效振幅的變化并不明顯,基本上在一個穩定的范圍 振動基本穩定。而對于?Al7075,如圖?4c?所示,在 內;但在不同的轉速下,隨著轉速的提高,等效振 轉速一定的情況下,在不同的進給速度以及背吃刀 幅有著略微的提高。因此,相比于進給速度和背吃 量下,等效振幅的變化不明顯;但是在不同的轉速 刀量,

23、主軸轉速對等效振幅的影響更大。對于切削 下,隨著轉速的變化,等效振幅有著明顯的變化, 同一種材料,主軸轉速的改變可在一定程度上改變 且隨著轉速的變大而減小。Al7075? 為合金材料, 機床的振動即主軸和刀具的振動,同時也影響同一 轉速的提高更多地影響加工過程的平穩性和減小切 位置被重復切削的次數。如果轉速變大,可增大機 削力,從而降低切削力引起的振動;另一方面,在 床主軸的振動;另外,轉速的變大也增加材料被重 加工過程中,隨著轉速的提高,刀具出現一定程度 復切削的次數,從而使切削過程更加平穩,通過減 的磨損,如圖?5?所示,這使得刀具和工件的接觸長 小切削力而降低相對振動。這里非電解鎳NiP

24、為 度增加,進一步增加了切削過程的平穩性而降低了 均質材料,在加工過程中,轉速的變化主要影響主 相對振動。因此加工? Al7075?時,相對振動的振幅 軸振動,對切削過程平穩性的影響相對較小。所以 隨著轉速增大而變小。 隨著轉速的變大,相對振動的振幅略有提高。?磨損磨損區域 長度 ?1?圖 5?刀具磨損后的光學測量顯微鏡成像放大 200倍?主軸轉速?V/r?min? ?a?NiP?3.2? 材料特性對相對振動的影響 三種材料在相同的加工參數下主軸轉速?1? 000?r/min,進給速度?25? mm/min,被吃刀量?2? m得到 的部分表面輪廓如圖?6?所示,圖中虛線表示刀尖相 對于工件的相

25、對位移的輪廓。從圖中可以看到加工?NiP?時的相對振動很小,表面輪廓接近于理想粗糙 度輪廓;圖 6b表明在加工 Cu的過程中刀尖相對于 ?1?主軸轉速?V/r?min? ?工件的位置不能像加工 NiP?時幾乎保持一條直線, b?Cu?刀尖位置出現波動,這說明加工? Cu?時的相對振動 稍大于?NiP。而圖?6c?顯示出加工?Al7075?時刀尖和 工件的相對位置出現較大波動,表明此時的相對振 動較大。圖 7表示的是在主軸轉速 1 000?r/min的條 件下,3?種材料的等效振幅的比較。可以看出加工?NiP?時刀具和工件間的相對振動很小,等效振幅維 持在?10? nm以下;對于?Cu,等效振幅

26、保持在?12?1?主軸轉速?V/r?min? ?15?nm之間;而加工 Al7075時,刀具和工件間的相 c?Al7075?對振動較大,等效振幅基本上保持在?3045?nm之 圖 4? 等效振幅隨主軸轉速的變化 間。這說明圖?7?中計算的等效振幅結果與圖?6?中的 如圖 4b所示,在加工 Cu的過程中,若轉速一 加工表面輪廓的分析結果相符。上述結果也表明了 定進給速度及背吃刀量對等效振幅的影響并不明 材料特性對于刀具和工件間的相對振動影響顯著。 等效振幅?A/nm?等效振幅?A/nm?等效振幅?A/nm非電解鎳NiP在切削過程中振動較小的主要 屬間化合物,在這里統稱為夾雜相。這些在鋁的基 原因

27、在于其非晶態結構。非晶的特性是不存在長程 體上的夾雜相起到強化作用,夾雜相和基體之間的 有序,無平移周期性。這種原子排列的長程無序, 物理機械性能存在著一定的差異。起到強化作用的 使非常均勻的? Ni?P?固溶體組織中不存在晶界、位 夾雜相硬度較高,而基體材料 Al較軟。從圖 8的左 錯、孿晶或其他缺陷。另外,非晶態鍍層表面鈍化 圖可以看到,銅中所含的夾雜相的尺度較小,所以 膜性質也因為基體的特征,其組織也是高度均勻的 在切削過程中刀具和工件之間的相對振動較小,但 非晶結構,無位錯、層錯等缺陷,所以非電解鎳材 稍大于均質的 NiP。圖 8中的右圖為 Al7075的金相 料有著高度的各項同性和材

28、質均勻性,因而在加工 圖,圖中夾雜相的尺度約為?20? m,而在加工過程 中由于材質而引起的振動是最小的。? 中,刀具和工件之間接觸線的長度也為數十微米, 0.20?從而在加工過程中,刀具會經常通過硬的夾雜相和 0.15?0.10?軟的基體之間,造成切削力的波動,導致了刀具和 0.05?工件之間相對振動較大。所以加工? Al7075?時的相 0.000.05?對振動大于?Cu,加工 NiP?的相對振動最小。0.100.15?夾雜相尺寸?41.16? 41.20? 41.24? 41.28? 41.32? 41.36? 41.40?夾雜相尺寸 測量長度?L/mm?a?NiP?0.05?0.00?

29、50m0.05?50m0.100.15?圖 8?Cu的金相組織左和 Al7075的金相組織右0.200.25?35.6? 35.8? 36.0? 36.2? 36.4? 36.6? 36.8?上述分析結果表明在背吃刀量、進給速度、主 測量長度?L/mm?b?Cu?軸轉速和材料特性各主要影響因素中,主軸轉速和 0.15?材料特性對刀具和工件間的相對振動影響較大。因 0.10?0.05?此,可建立主軸轉速和材料特性與相對振動之間的 0.00?0.05?映射關系,從而實現表面粗糙度的高精度預測。0.100.15?3.3? 通過預測表面粗糙度進行試驗驗證0.20?加工過程中刀具和工件間的相對振動不能通

30、過 42.10? 42.14? 42.18? 42.22? 42.26? 42.30? 42.34?測量長度?L/mm?直接測量法得到,因此相對振動的真實值無法獲 c?Al7075?得。只能根據提取的相對振動信息來預測表面粗糙 圖 6?不同材料切削表面的二維輪廓 度,通過預測值與測量值的比較,驗證本文中提出 的刀具和工件間相對振動的提取和檢測方法。 根據 TAKASU和 CHEUNG建立的表面粗糙度 預測理論模型,表面粗糙度輪廓是理想輪廓和刀具 和工件間相對振動的疊加,其中理想輪廓是刀具輪 廓以每轉的進給量為間隔不斷重復形成的輪廓,而 相對振動為直接測量機床空轉時主軸的振動信息。 這里首先根據

31、加工參數在? Matlab?軟件中繪出理想 輪廓,再通過數據處理和計算提取刀具和工件間的 材料種類 等效相對振動,最后將等效相對振動與理想輪廓進 圖 7? 材料特性對相對振動的影響 行波形疊加,計算疊加后輪廓的表面粗糙度即為預 而對于加工工件紫銅Cu,屬于多晶的合金材 測的表面粗糙度。圖?9為?NiP?在各加工參數下加工 料。加入了少量脫氧元素或其他元素,以改善材質 表面的粗糙度預測值和測量值的比較,平均預測誤 和性能。Al7075是一種 Al?Zn?Mg?Cu的合金,它含 差為? 7.08%。本文得到的預測誤差小于前人研究中 有 90%的鋁。其它的元素和鋁形成了固溶物或者第 2,15?得到的

32、表面粗糙度預測誤差? ,這也表明與之前 二相,這些元素間或這些元素與鋁還有可能形成金 的研究結果相比,應用本文的方法提取的相對振動?測量曲線高度?h/m? 測量曲線高度?h/m?測量曲線高度?h/m?等效振幅?A/nm?更接近于實際加工過程中的真實值。 5?趙惠英,蔣莊德,田世杰納米級超精密切削表面粗糙 度若干影響因素分析J.?機械工程學報,2004,404:?190?194ZHAO?Huiying,JIANG?Zhuangde,TIAN?Shijie.?Analysis?on? some? factors? influencing? surface? quality? nanoscale?u

33、ltra?precision? cuttingJChinese? Journal? of? Mechanical?Engineering,2004,404:190?1946? SATA?T,LI? M,TAKATA?S,et? alAnalysis? of? surface?表面粗糙度測量值?R /nmaroughness? generation? in? turning? operation? and? its?圖 9? 表面粗糙度 R 的預測值和測量值的對比?a?applicationJ.?Annals?of?the?CIRP,1985,341:473?4767? CHEUNG? C? F

34、,LEE? W? BA?multi?spectrum? analysis? of?4? 結論?surface roughness?formation?in ultra?precision?machiningJPrecision?Engineering,2000,24:77?871本文通過定義等效振幅提出一種提取和檢 8 CHANG?H?K, KIM?J?H, KIM?I?H, et?alIn?process?surface?測實際加工中刀具和工件間相對振動的方法,因提 roughness? prediction? using? displacement? signals? from?取的信息來

35、源于已加工表面理論上更接近于相對振 spindle? motionJInternational? Journal? of? Machine? Tools?動的實際情況;?and?Manufacture,2007,47:1021?10262刀具和工件間的相對振動幾乎不受背吃刀 9?BORYCZKO?A.?Measurement?of?relative?tool?displacement?量和進給速度變化的影響,而受到主軸轉速和材料 to? the? workpiece? for? the? assessment? of? influences? of?特性的影響較大;?machining? er

36、rors? on? surface? profilesJMeasurement,?3加工均質材料時的相對振動明顯小于非均 2002,31:93?105質材料;對于后者,相對振動取決于非均質材料夾 10RISBOOD? K? A,DIXIT? U? S,SAHASRABUDHE? A?D雜相的尺度及刀具和工件間接觸長度的相對大小。?Prediction?of?surface?roughness?and?dimensional?deviation?4通過建立主要影響因素與相對振動的映射 by? measuring? cutting? forces? and? vibrations? in? tur

37、ning?關系可以實現表面粗糙度的預測;較高的預測精度 processJJournal? of? Materials? Processing? Technology,?驗證了相對振動提取和檢測方法能夠較真實地反映 2003,132:203?214加工中的相對振動。 11ABOUELATTA? O? B?,?MADL? JSurface? roughness?prediction?based?on?cutting?parameters?and?tool?vibrations?參 考 文 獻?in? turning? operationsJJournal? of? Materials? Proce

38、ssing?1?TAKASU?S,MASUDA M,NISHIGUCHI T.?Influence?of?Technology,2001,118:269?277study? vibration? with? small? amplitude? upon? surface?12LEE? W? B,? CHEUNG? C? F,TO? SMaterials? induced?roughness?in?diamond?machiningJ.?Annals?of?the?CIRP,?vibration? in? ultra?precision? machiningJJournal? of?1985,341:463?467Materials?Processing?Technology,1999,8