单点石车削中刀具工件相对振动的研究（可编辑）

1、单点金刚石车削中刀具工件相对振动的研究 *?单点金刚石车削中刀具?工件相对振动的研究?1? 1? 2?赵清亮? 陈俊云? 罗 健?1.?哈尔滨工业大学精密工程研究所 哈尔滨? 150001;?2.?中国石油技术开发公司 北京? 100028?摘要:在纳米级车削表面形成中刀具和工件间的相对振动为主要影响因素之一。现有相对振动的研究方法包括谱分析法、直 接测量法和切削力分析法,但均不能同时满足真实反映切削过程中的相对振动和很好地预测表面粗糙度的要求,致使纳米级 表面粗糙度的预测精度较低。针对上述问题,通过分析和提取单点金刚石车削已加工表面轮廓数据、定义等效振幅的概念和 计算方法,提出一种新的刀具和

2、工件间的相对振动提取和检测方法用于预测表面粗糙度。分析结果表明实际加工中的相对振 动不是恒定的,它主要受主轴转速和材料特性的影响,其中加工非均质材料时的相对振动取决于夹杂相的尺度及刀具和工件 间接触长度的相对大小且大于加工均质材料时的相对振动。最后通过预测表面粗糙度来验证提出的检测方法,较高的预测精 度说明该方法可得到更接近于真实情况的相对振动信息。 关键词:等效振幅 刀具?工件相对振动 表面粗糙度 单点金刚石车削 中图分类号: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?复形成的轮廓与刀具和工件的相对振动曲线的叠加?*?13?0? 前言? 。因此,相对振动的研究对于分析纳米级表面 4,5?形成机理和表面粗糙度预测至关重要? 。实际加工 在单点金刚石车削加工中,表面轮廓的形成过 过程中刀具和工件间相对振动主要包括机床本身的 程被认为是刀具轮廓以每转的进给量为间隔不断重 振动、加工参数改变引起的振动、切削力和材料特 性引起的振动。目前,一般采用三种方法研究相对 振动:1谱

9、分析法;2?直接测量法;3? 切削力分 * 国家自然科学基金51075093和“高档数控机床与基础制造装备”国 家科技重大专项课题09ZX04001?151资助项目。*收到初稿,? 析法。*收到修改稿 谱分析法是对已加工表面的测量轮廓进行谱分 1.2? 相对振动的提取和检测方法 6?对端面车削加工后的工件表面沿径向进行检 析提取相对振动成份。 S?ATA等? 早采用二维轮廓的 测,根据检测的表面轮廓曲线和数据,提取刀尖在 谱分析法发现振动成份在波长较长的频段;?7?径向相对于工件的位移曲线,它代表实际加工过程 CHEUNG? 等? 用二维轮廓的多谱分析法发现由材 中刀具和工件间相对振动即相对位

10、移在径向的反 料各向异性引起的振动对表面粗糙度影响显著;此 3?映。如图?1所示。 外,KIM?等? 对加工表面的三维轮廓进行谱分析提 0.20?已加工表面的轮廓曲线取振动的信息用于分析相对振动对加工表面三维形 0.10?貌的影响。由此可见,谱分析法提取相对振动可用 0.00?于分析表面形成机理,但不能预测表面粗糙度。直0.10?接测量法是用测量设备直接测量空转时的主轴振动 刀尖相对于工件的位移0.20?2?或直接测量刀具振动;CHEUNG?等? 和? CHANG? 42.16? 42.20? 42.24? 42.28? 42.32? 42.36? 42.40?测量长度?L/mm?8?等? 分

11、别用电容位移传感器测量主轴振动信息用于 图 1?从已加工表面提取刀尖相对于工件的位移 9? 10?预测表面粗糙度;BORYCZKO? 、RISBOOD?等?这里假设?x?轴方向为刀具进给方向,z?轴为刀 11?和 ABOUELATTA等? 分别在刀具上配置测量设备 具切深方向,坐标原点在加工工件端面沿径向直径 测量刀具振动信息用于分析刀具振动对表面粗糙度 最大处,则沿径向刀具轮廓的数目为?L?的影响,以及采用神经网络或通过试验建立经验公 1?N ?s?式的方法预测表面粗糙度。但是这种方法得到振动 式中? L?径向检测的长度?是主轴或是刀具的振动,不能代表切削过程中刀具 s?刀具每转的进给量 和

12、工件间的相对振动。切削力分析法是根据微塑性 因此从已加工表面的检测曲线上提取数据的数 模型或试验建立切削力的模型,然后计算切削力引 目也为?N,则提取数据的?x?向坐标为?1214?起的刀具和工件间的相对位移即为相对振动? 。 2?x? ?x? + ?i?- 1D x? x? + i - 1?s?i? 1 1?该方法认为切削力是引起相对振动的唯一来源,而 式中? x?提取第 i个数据的 x向坐标, i?1,? 2?,?N?i忽视了实际切削过程中其它因素引起的相对振动。 ?提取数据的?x?坐标间隔 D x 上述三种方法都不能同时满足真实反映切削过 从 而 可 得 到 提 取 的 刀 尖 坐 标

13、数 据 为?。从已加工表面提取的刀具和工件间相 程中的相对振动和很好地预测表面粗糙度的要求。 ?x?,?Z?x?i? i? i?因此,本文在分析前人的研究基础之上,以单点金 对振动的轮廓曲线为?3?Z x Z x -?minZ x ?刚石车削过程中表面粗糙度预测为出发点,针对实 m? i i i i i?式中? Z?x?提取第? i? 个数据的? z? 向坐标,?际加工过程中刀具和工件间的相对振动提出了一种 i? i?。 新的提取和检测方法,用于表面粗糙度的预测。? i? 1,? 2?,?N?式3表示的相对振动的轮廓曲线引起的表面 粗糙度?R 的计算公式为?am?N?1? 刀具和工件间相对振动

14、的检测方法? Z x?N?m? i?1?i? 1?4?R Z x?-?am m? i?i? 1?N N 1.1? 相对振动的研究思路 研究的基本思路:通过检测已加工表面及检测 式中? i? 1,? 2,.,?N?数据的处理,提取实际加工过程中相对振动的信 将提取的相对振动即式3等效为简谐振动,设 息。由于实际加工过程中刀具和工件间的相对振动 其简谐振动的方程为?会直接反映在工件表面上,从振动信息的可靠性来 sin2f?x? 5?Z x?A h?说,这里相对振动的研究方法更有意义。振动信息 将其离散化可得到?1?包括两个方面:幅值和频率。在?TAKASU等? 和?C?sin2? i?1? 6?Z

15、 x ?A fDxh? i?2?HEUNG?等? 建立的表面粗糙度预测理论模型中, 式中? Dx ? 1 /?40?f?,?i? 1, ?2?,?N?,?N ?L?/?D x?假定相对振动为恒定的正弦波,其幅值来源于空转 则等效简谐振动引起的表面粗糙度?R 为?ah?状态下主轴振动主频的幅值,频率则是由转速和进 N?1?7?R Z x -?Z x?ah h i h? i?给速度决定。因此,振动的幅值对表面粗糙度有着 i? 1?N 非常直接的影响。所以,本文提取相对振动的关键 刀具和工件间相对振动等效为简谐振动的原则 为两者引起的表面粗糙度相同,即 信息为振动的幅值。?测量曲线高度?h/m?8?

16、R ?R 由于本文是以预测表面粗糙度为出发点研究相 ah am?通过式4、式7和式8求解等效振幅 A的值。? 对振动,如果在各种条件下,都要通过测量加工表 A?即为实际加工中刀具和工件间相对振动的幅值 面来提取相对振动,这就丧失了表面粗糙度预测的 信息。?意义。本节则是通过理论和试验分析研究相对振动 的主要影响因素,建立相对振动与其主要因素之间 2? 单点金刚石车削加工试验 的映射关系,从而实现表面粗糙度的预测。最后也 是通过预测表面粗糙度的方法来验证本文提出的相 单点金刚石车削加工试验使用的机床是纳米级 对振动的提取和检测方法。?精度的超精密车床,如图?2?所示。试验选用金刚石 3.1? 切

17、削参数背吃刀量、进给速度和主轴转速对 刀具,其圆角半径为 0.5?mm,前角 0?,后角 6?,如 相对振动的影响 图?2?所示。触针式轮廓仪Form? talysurf? PGI? 1240?在主轴转速为? 1? 000? r/min? 进给速度为? 40?用于检测已加工表面的二维表面轮廓,采用光学测 mm/min?的条件下,等效振幅随着背吃刀量的变化 量显微镜 Optical? measuring? microscope,? STM6,?情况如图 3a所示。NiP、Cu和? Al7075的等效振幅 Olympus,? Japan检测刀具的磨损形貌。试验中的加 随着背吃刀量的变化很小,在一个

18、特定的转速下基 工工件的材料分别是镀制在铝合金表面的非电解镍?本上保持恒定。加工过程中切削深度决定着刀具和 NiP、紫铜Cu以及硬铝合金Al7075。单点金刚 工件的接触状态,虽然切削深度的变化能改变切削 石端面车削的试验方案如表?1所示。 力的大小,但它也影响切削材料去除过程中工件、 刀具和切屑之间的摩擦状态。单点金刚石车削一般 夹具 金刚石刀具 采用较小的切削深度,此时切深的变化对于切削状 态的总体影响较小,因此它对加工过程中刀具和工 件间的相对振动的影响也可以近似忽略。?工件 图 2?超精密加工车床和金刚石刀具 表 1?试验方案 刀具圆角半 转速? 进给速度? 背吃刀量?编号 ?1? ?

19、1?V/r?min? ? f/mm?min? ? d/m? 径?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?等效振幅随背吃刀量的变化?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?进给速度?f/mm?min? ?17? 2?000? 35? 2? 0.5?b? 等效振幅随进给速度的变化 18? 2?000? 40? 2? 0.5?19? 2?000? 40? 4? 0.5?图 3?等效振幅随背吃刀量和进给速度的变化 20? 2?000? 40? 6? 0.5?21? 2?000? 40? 8? 0.5?从图? 3b?可以看出,分别在特定主轴转速的条 件下,NiP

21、?的等效振幅随着进给速度的改变没有明 3? 刀具和工件相对振动分析 显的变化,基本上保持恒定。Cu?和?Al7075?的等效 振幅随着进给速度的改变也没有明显的变化。这是 首先采用触针式轮廓仪分别测量各组试验中加 因为在切削表面形成过程中,进给速度的变化可以 工工件的表面轮廓,然后根据本文第一节提出的方 改变刀具轮廓的间隔并在一定程度上影响相对振动 法提取和检测刀具和工件间的相对振动信息。 的频率,而不能在很大程度上影响振动的幅值。因 等效振幅?A/nm等效振幅?A/nm?此,可以近似认为在某一转速下,对于相同的材 显,基本上在一个稳定的范围内;在不同的转速 料,等效振动的振幅不随着背吃刀量的

22、变化而变 下,随着转速的提高,等效振幅变化也并不明显。 化。 这是因为?Cu?相对于?NiP?的材料均质性稍差,主轴 对于 NiP,如图 4a所示,可以看到在转速一定 转速的变大既引起主轴振动的增大,也使切削过程 的情况下,在不同的进给速度以及背吃刀量下,等 更为平稳降低了相对振动,两者的综合效果是相对 效振幅的变化并不明显,基本上在一个稳定的范围 振动基本稳定。而对于?Al7075,如图?4c?所示,在 内;但在不同的转速下,随着转速的提高,等效振 转速一定的情况下,在不同的进给速度以及背吃刀 幅有着略微的提高。因此,相比于进给速度和背吃 量下,等效振幅的变化不明显;但是在不同的转速 刀量,

23、主轴转速对等效振幅的影响更大。对于切削 下,随着转速的变化,等效振幅有着明显的变化, 同一种材料,主轴转速的改变可在一定程度上改变 且随着转速的变大而减小。Al7075? 为合金材料, 机床的振动即主轴和刀具的振动,同时也影响同一 转速的提高更多地影响加工过程的平稳性和减小切 位置被重复切削的次数。如果转速变大,可增大机 削力,从而降低切削力引起的振动;另一方面,在 床主轴的振动;另外,转速的变大也增加材料被重 加工过程中,随着转速的提高,刀具出现一定程度 复切削的次数,从而使切削过程更加平稳,通过减 的磨损,如图?5?所示,这使得刀具和工件的接触长 小切削力而降低相对振动。这里非电解镍NiP

24、为 度增加,进一步增加了切削过程的平稳性而降低了 均质材料,在加工过程中,转速的变化主要影响主 相对振动。因此加工? Al7075?时,相对振动的振幅 轴振动,对切削过程平稳性的影响相对较小。所以 随着转速增大而变小。 随着转速的变大,相对振动的振幅略有提高。?磨损磨损区域 长度 ?1?图 5?刀具磨损后的光学测量显微镜成像放大 200倍?主轴转速?V/r?min? ?a?NiP?3.2? 材料特性对相对振动的影响 三种材料在相同的加工参数下主轴转速?1? 000?r/min,进给速度?25? mm/min,被吃刀量?2? m得到 的部分表面轮廓如图?6?所示,图中虚线表示刀尖相 对于工件的相

25、对位移的轮廓。从图中可以看到加工?NiP?时的相对振动很小,表面轮廓接近于理想粗糙 度轮廓;图 6b表明在加工 Cu的过程中刀尖相对于 ?1?主轴转速?V/r?min? ?工件的位置不能像加工 NiP?时几乎保持一条直线, b?Cu?刀尖位置出现波动,这说明加工? Cu?时的相对振动 稍大于?NiP。而图?6c?显示出加工?Al7075?时刀尖和 工件的相对位置出现较大波动,表明此时的相对振 动较大。图 7表示的是在主轴转速 1 000?r/min的条 件下,3?种材料的等效振幅的比较。可以看出加工?NiP?时刀具和工件间的相对振动很小,等效振幅维 持在?10? nm以下;对于?Cu,等效振幅

26、保持在?12?1?主轴转速?V/r?min? ?15?nm之间;而加工 Al7075时,刀具和工件间的相 c?Al7075?对振动较大,等效振幅基本上保持在?3045?nm之 图 4? 等效振幅随主轴转速的变化 间。这说明图?7?中计算的等效振幅结果与图?6?中的 如图 4b所示,在加工 Cu的过程中,若转速一 加工表面轮廓的分析结果相符。上述结果也表明了 定进给速度及背吃刀量对等效振幅的影响并不明 材料特性对于刀具和工件间的相对振动影响显著。 等效振幅?A/nm?等效振幅?A/nm?等效振幅?A/nm非电解镍NiP在切削过程中振动较小的主要 属间化合物,在这里统称为夹杂相。这些在铝的基 原因

27、在于其非晶态结构。非晶的特性是不存在长程 体上的夹杂相起到强化作用,夹杂相和基体之间的 有序,无平移周期性。这种原子排列的长程无序, 物理机械性能存在着一定的差异。起到强化作用的 使非常均匀的? Ni?P?固溶体组织中不存在晶界、位 夹杂相硬度较高,而基体材料 Al较软。从图 8的左 错、孪晶或其他缺陷。另外,非晶态镀层表面钝化 图可以看到,铜中所含的夹杂相的尺度较小,所以 膜性质也因为基体的特征,其组织也是高度均匀的 在切削过程中刀具和工件之间的相对振动较小,但 非晶结构,无位错、层错等缺陷,所以非电解镍材 稍大于均质的 NiP。图 8中的右图为 Al7075的金相 料有着高度的各项同性和材

28、质均匀性,因而在加工 图,图中夹杂相的尺度约为?20? m,而在加工过程 中由于材质而引起的振动是最小的。? 中,刀具和工件之间接触线的长度也为数十微米, 0.20?从而在加工过程中,刀具会经常通过硬的夹杂相和 0.15?0.10?软的基体之间,造成切削力的波动,导致了刀具和 0.05?工件之间相对振动较大。所以加工? Al7075?时的相 0.000.05?对振动大于?Cu,加工 NiP?的相对振动最小。0.100.15?夹杂相尺寸?41.16? 41.20? 41.24? 41.28? 41.32? 41.36? 41.40?夹杂相尺寸 测量长度?L/mm?a?NiP?0.05?0.00?

29、50m0.05?50m0.100.15?图 8?Cu的金相组织左和 Al7075的金相组织右0.200.25?35.6? 35.8? 36.0? 36.2? 36.4? 36.6? 36.8?上述分析结果表明在背吃刀量、进给速度、主 测量长度?L/mm?b?Cu?轴转速和材料特性各主要影响因素中,主轴转速和 0.15?材料特性对刀具和工件间的相对振动影响较大。因 0.10?0.05?此,可建立主轴转速和材料特性与相对振动之间的 0.00?0.05?映射关系,从而实现表面粗糙度的高精度预测。0.100.15?3.3? 通过预测表面粗糙度进行试验验证0.20?加工过程中刀具和工件间的相对振动不能通

30、过 42.10? 42.14? 42.18? 42.22? 42.26? 42.30? 42.34?测量长度?L/mm?直接测量法得到,因此相对振动的真实值无法获 c?Al7075?得。只能根据提取的相对振动信息来预测表面粗糙 图 6?不同材料切削表面的二维轮廓 度,通过预测值与测量值的比较,验证本文中提出 的刀具和工件间相对振动的提取和检测方法。 根据 TAKASU和 CHEUNG建立的表面粗糙度 预测理论模型,表面粗糙度轮廓是理想轮廓和刀具 和工件间相对振动的叠加,其中理想轮廓是刀具轮 廓以每转的进给量为间隔不断重复形成的轮廓,而 相对振动为直接测量机床空转时主轴的振动信息。 这里首先根据

31、加工参数在? Matlab?软件中绘出理想 轮廓,再通过数据处理和计算提取刀具和工件间的 材料种类 等效相对振动,最后将等效相对振动与理想轮廓进 图 7? 材料特性对相对振动的影响 行波形叠加,计算叠加后轮廓的表面粗糙度即为预 而对于加工工件紫铜Cu,属于多晶的合金材 测的表面粗糙度。图?9为?NiP?在各加工参数下加工 料。加入了少量脱氧元素或其他元素,以改善材质 表面的粗糙度预测值和测量值的比较,平均预测误 和性能。Al7075是一种 Al?Zn?Mg?Cu的合金,它含 差为? 7.08%。本文得到的预测误差小于前人研究中 有 90%的铝。其它的元素和铝形成了固溶物或者第 2,15?得到的

32、表面粗糙度预测误差? ,这也表明与之前 二相,这些元素间或这些元素与铝还有可能形成金 的研究结果相比,应用本文的方法提取的相对振动?测量曲线高度?h/m? 测量曲线高度?h/m?测量曲线高度?h/m?等效振幅?A/nm?更接近于实际加工过程中的真实值。 5?赵惠英,蒋庄德,田世杰纳米级超精密切削表面粗糙 度若干影响因素分析J.?机械工程学报,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?表面粗糙度测量值?R /nmaroughness? generation? in? turning? operation? and? its?图 9? 表面粗糙度 R 的预测值和测量值的对比?a?applicationJ.?Annals?of?the?CIRP,1985,341:473?4767? CHEUNG? C? F

34、,LEE? W? BA?multi?spectrum? analysis? of?4? 结论?surface roughness?formation?in ultra?precision?machiningJPrecision?Engineering,2000,24:77?871本文通过定义等效振幅提出一种提取和检 8 CHANG?H?K, KIM?J?H, KIM?I?H, et?alIn?process?surface?测实际加工中刀具和工件间相对振动的方法,因提 roughness? prediction? using? displacement? signals? from?取的信息来

35、源于已加工表面理论上更接近于相对振 spindle? motionJInternational? Journal? of? Machine? Tools?动的实际情况;?and?Manufacture,2007,47:1021?10262刀具和工件间的相对振动几乎不受背吃刀 9?BORYCZKO?A.?Measurement?of?relative?tool?displacement?量和进给速度变化的影响,而受到主轴转速和材料 to? the? workpiece? for? the? assessment? of? influences? of?特性的影响较大;?machining? er

36、rors? on? surface? profilesJMeasurement,?3加工均质材料时的相对振动明显小于非均 2002,31:93?105质材料;对于后者,相对振动取决于非均质材料夹 10RISBOOD? K? A,DIXIT? U? S,SAHASRABUDHE? A?D杂相的尺度及刀具和工件间接触长度的相对大小。?Prediction?of?surface?roughness?and?dimensional?deviation?4通过建立主要影响因素与相对振动的映射 by? measuring? cutting? forces? and? vibrations? in? tur

37、ning?关系可以实现表面粗糙度的预测;较高的预测精度 processJJournal? of? Materials? Processing? Technology,?验证了相对振动提取和检测方法能够较真实地反映 2003,132:203?214加工中的相对振动。 11ABOUELATTA? O? B?,?MADL? JSurface? roughness?prediction?based?on?cutting?parameters?and?tool?vibrations?参 考 文 献?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