球头铣削多硬度拼接淬硬钢的振动研究

王扬渝 计时鸣 王慧强 文东辉

浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，杭州，310014

0 引言

使用球头铣刀精铣模具型腔，可获得表面粗糙度Ra小于0.5μm的已加工表面，提高模具的生产加工效率［1－2］，这一加工工艺获得了国内外学者的广泛关注［3－6］。汽车覆盖件模具型腔的自由型面上存在大量沟槽、转角、凸起、凹陷等结构，多采用整体或镶块式50HRC至65HRC淬硬钢拼接而成，多硬度拼接的过渡区由于存在硬度变化，导致铣削特性复杂多变，但国内对其复杂多变性的研究近乎空白。

由于工件硬度对切削力及刀具磨损有着显著的影响［7－8］，故在铣削多硬度拼接工件时，会因刀具与工件接触区硬度的交替变化，加剧刀具磨损，降低加工表面质量并制约生产效率的提高。其铣削振动规律较单一硬度条件有着明显的差异。对加速度信号进行时域和频谱分析是研究切削振动的有效手段。Toh［9］采用新旧刀具和不同铣削路径，进行了淬硬钢高速粗铣和精铣实验，并对比分析了铣削力的频谱特性差异。Tatar等［10］利用激光测振仪测试了铣削过程中的刀具振动位移，并进行了时域和频谱分析，研究了刀具振动信号的谐波特性。Amina等［11］利用功率谱密度函数分析了铣削45钢表面粗糙度与振动幅值的关系，指出在切削速度大于200m／min时，采用大直径刀具可以获得较好的已加工表面。Liu等［12］建立了微细铣削振动测试系统，通过提取振动信号的时域和频域特征参数，定量描述了不同铣削方式和铣削转速下的振动信号的能量差异。利用时频域分析方法，研究球头铣削不同硬度淬硬钢，特别是硬度拼接区域的铣削振动规律，对于改善工件表面质量、提高切削效率和延长刀具使用寿命等具有重要的理论意义和应用价值。

本文以2种硬度的Cr12MoV淬硬钢为对象，分别进行了单一硬度和多硬度拼接状态下的球头铣削振动实验，分析了工件和机床主轴在加工过程中的加速度信号特征，并且通过振动信号均方根值，研究了切削条件对工件及主轴振动响应的影响规律。

1 不同硬度淬硬钢球头铣削振动实验

1.1 实验条件

采用戴杰RNMM－200105S－S20C刀杆及RNM－200－R03涂层硬质合金两刃球头铣刀，在AVC1200C精密立式加工中心上进行淬硬钢铣削实验。铣削方式为干式逆铣削，刀具悬伸量为120mm，轴向切深取为精铣下的常用量0.1mm，主轴转速范围为2000～6000r／min（间隔为500r／min），进给速度为500～1500mm／min（间隔为250mm／min）。采用正交实验方法，通过变化主轴转速及进给速度进行不同切削条件下的主轴及工件的振动响应分析。

1.2 工件材料及拼接方法

以淬硬状态下的Cr12MoV模具钢为实验对象，用X射线荧光光谱仪以及碳硫分析仪检测得到的工件材料化学成分如表1所示。

表1 工件材料的化学成分

工件尺寸为200mm×200mm×60mm，由3块经过不同的热处理工艺，硬度分别为60HRC、52HRC、60HRC的试件通过2根长度为200mm的不锈钢高强度铰制孔用螺栓连接为一个整体，如图1所示。为减小因工件不平整导致的测试误差，实验前，工件上下表面及侧面经过磨削加工处理，其表面粗糙度Ra均达到0.8μm。

图1 多硬度拼接的Cr12MoV模具钢

1.3 铣削振动测试系统

在LMS结构振动测试分析系统基础上建立的铣削振动实验系统如图2所示。以工件与工作台接触的左下角为坐标原点，以刀具上下运动方向为Z轴方向，以加工进给方向为X轴方向，建立实验系统笛卡尔坐标系。在工件及主轴上选取16个测试点，其中，在工件四周的侧面上选取10个测试点，在刀具主轴X、Y方向各选取3个测试点，进行工件3个方向和主轴X、Y方向的加速度响应测试。在工件上安装了一个灵敏度为1.03mV／（m／s2）的356A02型 PCB三方向加速度传感器，其余测试点均安装了灵敏度为10.20mV／（m／s2）的333B30型单方向加速度传感器。加速度信号通过导线002C30接入LMS SCADAIII数据采集前端。数据前端通过衰减小、串扰少、最高传输速率为100Mbit／s的以太网网线连接至DELL M90移动工作站，数据被传输至LMS Test.Lab软件平台进行数据处理。铣削振动的测试平台如图3所示。

图2 铣削振动实验系统组成

图3 铣削振动测试平台

铣削多硬度拼接淬硬钢工件是一种断续切削过程，刀具与工件高速碰撞导致高频冲击特性非常明显，其信号采样应以高频方式进行，以避免频率混叠。以25.6kHz采样频率对铣削加工过程进行数据采集，通过加权平均方法去除随机误差。同时采集0～3.2kHz频带宽度内的信号，每个数据段采集的谱线数为8192，频率分辨率为0.39Hz。加速度响应受到传递路径、工件装夹及机床结构刚性等的影响，通过分析比较各测点的响应特征，选取实验中位置保持不变的工件及主轴上的测试点的加速度信号作为研究对象。

2 加速度信号的时频域分析

2.1 时域分析

分别选取52HRC、62HRC的淬硬钢试件和拼接后的工件作为加工对象，研究工件硬度及其拼接对加速度响应的作用规律，实验使用的铣削参 数 为：主 轴 转 速 5500r／min，进 给 速 度1000mm／min，切削深度0.1mm。

主轴振动响应受工件硬度影响较大，单硬度及拼接状态下，主轴X方向的加速度响应时间历程如图4所示。其中，铣削52HRC淬硬钢时，加速度峰峰值为±3.45m／s2，如图4a所示；铣削60HRC淬硬钢时，峰峰值为±3.92m／s2，如图4b所示。图4c所示为铣削多硬度拼接材料主轴X方向时的加速度信号时间历程，在硬度拼接区域，加速度峰值发生阶跃变化。加速度时间历程分为3段，即铣削3种不同硬度材料的时候，加速度幅值各不相同，铣削60HRC淬硬钢时加速度峰峰值为±8.05m／s2，铣削52HRC淬硬钢时加速度峰峰值为±6.37m／s2，振动响应峰峰值与工件硬度呈现正相关性。

2.2 频域分析

加速度信号比切削力信号具有更宽的频谱，抗干扰能力较好，环境适应能力较强，可以与铣削力信号一起，进行可靠的铣削颤振预报［13］。对采集的加速度信号进行快速傅里叶变换，分析信号频率成分及能量分布特征。

图4 主轴X方向的加速度时间历程

图5所示为主轴转速5500r／min、进给速度1000mm／min、切削深度0.1mm时，铣削60HRC淬硬钢时工件测试点三方向的加速度频谱。结果表明：X、Y、Z方向的频谱均由刀齿通过频率及其谐波组成，具有明显的谐波特性，且均在刀齿通过频率处出现最大幅值，Z方向振动能量大于其他两方向的振动能量。图6所示为主轴转速变化时机床主轴X方向的自功率谱，从图6中可见，随着主轴转速的提高，主轴X方向的幅值表现出逐渐减小的趋势，且加速度信号的能量分布逐渐向高频方向移动。

图5 60HRC淬硬钢铣削振动的频谱图

图6 机床主轴X方向的自功率谱图

图7 单硬度与多硬度拼接状态下频谱对比分析

图7所示为主轴转速6000r／min、进给速度1000mm／min、切削深度0.1mm 时，铣削60HRC单硬度淬硬钢和多硬度拼接淬硬钢时主轴X方向的加速度响应频谱。由图7a、图7b可见，其频谱图均表现出较好的倍频特性，铣削单硬度材料时频率成分主要集中在0～0.65kHz之间，且最大幅值为0.35m／s2；铣削多硬度材料时，频率成分主要集中在0.35～1.40kHz之间，最大幅值为1.33m／s2，幅值明显增加。以相同主轴转速铣削拼接材料时的振动响应，较铣削单一材料时的振动响应剧烈，且振动能量分布在更宽的频率范围。

3 铣削条件对振动响应的影响

均方根值（root mean square，RMS）是用来描述信号的平均能量或平均功率均方值的正平方根，它是信号幅度最恰当的量度［14］。考虑到不同测试的持续时间不同，不便于进行分析比较，故采用频谱图中求出的均方根值进行振动能量的比较［15］，分析的频带范围均为0～3.2kHz，通过加速度均方根值aRMS，分析单一硬度和多硬度拼接条件下切削参数对切削振动的影响规律。

3.1 单一硬度条件下铣削参数对振动响应的影响

图8 单一硬度铣削时主轴转速对加速度均方根值aRMS的影响规律

图8所示为主轴转速对工件及主轴振动加速度均方根值的影响规律，实验条件为：进给速度1000mm／min，轴向切深0.1mm。从图8中可以得出，主轴转速对主轴X方向的加速度信号影响较大，而对主轴Y方向的加速度信号和工件振动影响不大。在主轴转速2500r／min时，主轴X方向的aRMS出现最大值，该转速下刀齿通过频率与机床的固有频率接近，因此，应避免主轴在此转速范围附近进行加工。当主轴转速超过4000r／min时，振动信号能量呈减小趋势，工件及主轴各方向上的aRMS均呈逐渐减小趋势，这可能是因为进给速度和铣削深度不变时，铣削厚度和宽度保持恒定，材料去除速率取决于主轴转速，随着主轴转速的升高，提高了材料的去除率，并导致铣削温度的急剧升高，高温下工件材料塑性变形更充分，流动阻力小，因此切削力小，工件和主轴的振动也随之减小。比较图8a、图8b可见，铣削2种不同硬度淬硬钢，主轴X方向上的振动信号展现出相似的变化规律。在切削60HRC淬硬钢时，主轴Y方向aRMS明显大于切削52HRC淬硬钢时主轴Y方向aRMS，材料硬度对主轴Y方向振动影响较大。

图9所示为进给速度对工件及主轴振动加速度均方根值的影响规律，实验条件为：主轴转速3000r／min，轴向切深0.1mm。从图9中可以看出，在相同的切削条件下，采用较小的进给速度可以有效地降低铣削振动。铣削52HRC淬硬钢时，随着进给速度的增大，各测试点的aRMS呈现增大趋势，主轴X方向的aRMS从0.49m／s2增大到1.37m／s2，增加的幅度最为明显。而铣削60HRC淬硬钢时，随着进给速度从500mm／min增大到1500mm／min，主轴 X 方向的aRMS从0.39m／s2增大到0.98m／s2，变化幅度小于铣削52HRC淬硬钢。铣削52HRC淬硬钢，工件各方向加速度响应与进给速度均呈正相关关系，但在铣削60HRC淬硬钢时，发现当进给速度大于1000mm／min时，工件Y、Z方向上的aRMS有减小的趋势。

图9 单一硬度铣削时进给速度对加速度均方根值aRMS的影响规律

3.2 多硬度拼接条件下铣削参数对振动响应的影响

图10所示为多硬度拼接条件下铣削参数对振动响应的影响规律，实验条件为：主轴转速2000～6000r／min，进给速度1000mm／min，轴向切深0.1mm。多硬度拼接条件下，随着主轴转速的提高，主轴X方向上的振动信号能量接近于单调增大，且相同转速下的aRMS比单一硬度铣削时大。如图10a所示，当主轴转速大于3500r／min时，aRMS均大于1.37m／s2，而单一硬度铣削时的aRMS均小于1.18m／s2，主轴振动能量较单一硬度铣削时大，这可能是由于球头铣刀铣削硬度拼接区域时，因工件硬度变化产生的冲击效应所致。主轴转速对工件振动信号能量的影响不大，且工件aRMS比单一硬度铣削时有小幅度的减小。

图10 多硬度拼接条件下铣削参数对加速度均方根值aRMS的影响规律

图10b所示为主轴转速3000r／min，轴向切深0.1mm时，进给速度对加速度均方根值aRMS的影响规律。随着进给速度增大，主轴X方向、Y方向和工件X方向的aRMS总体呈现增大趋势，主轴X 方向的aRMS从0.88m／s2增大到1.18m／s2，主轴Y 方向的aRMS从0.59m／s2增 大 到0.98 m／s2，工件 X 方向的aRMS从0.39m／s2增加到0.69m／s2；而工件Y、Z方向的aRMS几乎不受进给速度变化的影响，稳定在0.30m／s2，且比铣削单一硬度材料时小。

4 结论

（1）淬硬钢铣削振动信号呈现周期特性，振动信号频谱均由刀齿通过频率及其谐波组成，在铣削频率上出现最大幅值；随着主轴转速的提高，振动信号能量向高频方向移动；工件Z方向及主轴进给方向的振动能量较大；在多硬度过渡区域，主轴加速度信号峰峰值与工件硬度相关，且呈现阶跃变化特征。

（2）铣削单一硬度淬硬钢时，工件材料的硬度对主轴垂直于进给方向的振动响应影响较大。随着进给速度的增大，主轴及工件振动响应均有较明显的增大。

（3）铣削多硬度拼接淬硬钢时，主轴进给方向的振动响应随着主轴转速的提高而单调增强，且比铣削单一硬度淬硬钢时剧烈。

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