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1、曲轴车-车梳加工稳定性分析及切削颤振实验研究,答辩人：张朝辉导 师：何云 教授,目录,01/背景介绍,02/金属切削过程中的加工稳定性,03/车-车梳加工过程的稳定性分析,04/车-车梳切削颤振测量系统平台搭建,05/曲轴车-车梳加工切削颤振实验研究,06/总结与展望,01 背景介绍,课题来源,本课题来源于国家科技重大专项（编号：2012ZX04003041）“高档数控机床与基础制造装备”中2012课题“汽车发动机配套精密高效刀具开发”。针对汽车发动机曲轴轴颈加工过程的稳定性问题，通过理论分析和实验模拟对曲轴车-车梳加工过程的颤振规律进行了研究。,研究意义,研究内容,本课题将针对以下内容展开研
2、究：对金属切削过程中颤振的一般情况及产生原因进行研究车-车梳切削过程中的颤振情况，并建立梳刀切削过程的颤振模型搭建切削颤振测量系统，实现车-车梳加工过程中颤振的实时测量通过实验研究车-车梳加工各工序过程的颤振规律通过实验探究型刀片切削的颤振规律,车-车梳工艺是汽车发动机曲轴粗加工的关键工艺，直接影响曲轴制造精度。由于车-车梳切削方式的独特性，加工时不可避免地会产生一定的颤振。这些颤振不仅严重影响着机械加工精度、表面质量、稳定性和切削效率，而且切削过程中的振动和不稳会加速机床零件的疲劳和刀具的磨损，研究这种颤振及其规律具有一定的理论和应用价值。,02 金属切削过程中的加工稳定性,自激振动：与外界
3、作用力无关，由振动系统自身引起的交变力激励并维持的一种稳定的周期性振动，也叫颤振。颤振是金属切削过程中最主要的振动形式。,非振荡性能源提供自振系统消耗的能量，振动系统稳定的周期性振动被反馈到调节系统，调节系统产生相应的激励又作用于振动系统，不断循环，实现了自振系统的自我维持。可见，自振系统中是一个具有反馈特性的封闭系统。,02 金属切削过程中的加工稳定性,金属切削过程中是否发生颤振，主要取决于机床本身的特性和切削的过程。这里说的切削过程主要指刀具的结构，切削时的走刀路线以及切削参数的选择。在实际加工中，切削参数的变化对动态切削力的影响规律最为明显，也最具有应用价值。,动态切削力的变化表达式：,
4、，表示切削厚度对于切削力的影响系数；,，表示切削速度对于切削力的影响系数。,，表示进给速度对于切削力的影响系数；,由车梳加工的切削特性可知，车梳加工不是一个连续的切削过程，包括径向切削和轴向切削两个过程，对于径向或者轴向的单个过程而言，切削是完整连续的。这两个过程的动力特性和颤振情况不能采用同一模型进行研究，因此车梳加工的颤振分析需要分为径向切削和轴向切削过程分别研究。,径向切削过程中，刀具切入、切出工件时，不可避免地会产生切入效应，引起颤振。另外，在连续切削过程中，当刀具切削到有振纹的表面时，切削厚度就会发生变化，也存在再生效应。因此，纵切过程中引起切削颤振的主要是切入效应和再生效应。径向切
5、削完成后，残留的轴颈表面是锯齿状的，梳刀轴向切削时，切削厚度波动很大，再生效应明显。因此，轴向切削过程中的颤振主要是由切削厚度的变化引起的。,03 车-车梳加工过程的稳定性分析,梳刀径向切削过程颤振模型,径向切削过程中动态切削力的微分表达式：,振动系统的动态响应：,根据切削颤振理论，稳定性极限条件的判别法则：当前一次振纹X(t-T/Z)的模等于本次振纹X(t)的模时。自振系统恰好处于临界稳定状态。设,当U()取得极小值时，可得稳定切削的极限切宽为：,梳刀轴向切削过程颤振模型,轴向切削过程中，振动系统的运动方程可以写成：,动态切削力的表达式为：,当切削宽度bblim时，切削将发生颤振；当bbli
6、m时，将不会发生颤振；b=blim为机床由稳定到不稳定切削的临界状态。,梳刀横切过程单齿极限切削厚度为：,，,式中，进击方向的切削力Ff与该方向上的切削力参数Kf、背吃刀量ap和动态切削厚度s(t)成正比。可知动态切削力函数的解取决于方程右边当前和过去的振动量x(t-T)-x(t)，故颤振表达式是一个延时微分环节。,04 车-车梳切削颤振测量系统平台搭建,车-车梳切削颤振测量装置原理图,本测量系统平台包括两部分，第一部分是车-车梳专用机床及被测工件，第二部分是测量系统。其中，测量系统的搭建主要包括：电涡流位移传感器、数据采集模块和LabVIEW软件设计三部分。机床采用本项目自主设计改造的TCK
7、4550型CNC车梳拉专用机床，实验工件材料选用45钢，第一部分早已准备就绪。因此，颤振测量系统平台搭建的主要任务是第二部分的搭建。,颤振测量系统电涡流位移传感器,电涡流位移传感器测得的位移(mm)与输出电压(v)之间的关系式为：,颤振测量系统数据采集模块,模拟输入：2路单端直流电压量程：0-10V输入阻抗：1M分辨率：12Bit（4096）芯片采样率：100KHz单通道数据采样率：最高20kps,颤振测量系统LabVIEW软件设计,功能模块结构图,测量系统软件的前面板设计,04 车-车梳切削颤振测量系统平台搭建,以非接触式的电涡流传感器作为测量元件，2ADIO USB数据采集卡为通信元件，并
8、利用LabVIEW软件编写了振动测量的软件系统，完成了切削颤振测量系统的搭建，实现了对车-车梳加工过程切削颤振的实时测量。编写的LabVIEW程序可以实现振动测量数据的采集、分析、振动波形的低速/高速显示、测量数据存储、采样频率调节等功能程序，完全可以满足后续车-车梳切削颤振实验的测量要求。,05 曲轴车-车梳加工切削颤振实验研究,整体实验方案设计：,根据研究目的，即探究曲轴轴颈车-车梳加工过程的颤振规律，设计了两个实验：主轴颈车-车梳加工完整切削颤振实验和梳型刀片切削颤振实验。主轴颈车-车梳加工完整切削颤振实验利用自主改造的车梳拉机床及本文中搭建的实验平台，模拟汽车曲轴主轴颈的车-车梳加工过
9、程，完成一段主轴颈的完整加工，并通过自主搭建的颤振测量系统测量各工序过程中的颤振情况。梳型刀片切削颤振实验是针对车-车梳工艺中关键工序梳刀切削过程的颤振规律进行的进一步探究。该实验通过三个子实验，主要比较了梳刀径向和轴向切削过程的颤振情况，普通精加工车刀片与梳型刀片在同样的切削参数及切削余量下的加工质量、切削效率及切削颤振情况，并且探究了切削参数变化对于梳刀切削颤振产生的影响。,主轴颈车-车梳完整切削颤振实验,本实验通过模拟汽车曲轴主轴颈的车-车梳加工过程，利用自主搭建的切削颤振测量系统，检测各工序过程中工件的径向振动，研究车-车梳工艺的各个工序中刀具切削引起的切削颤振。由右表的工艺过程可以看
10、出，一段主轴颈的完整车-车梳加工过程包括了6道工序，即T1-T6。其中，T2与T3、T4与T5工序的刀片相同，切削参数及加工余量也相同，无需重复测量。所以，本实验只需测量T1，T2，T4，T6工序过程的刀具切削颤振情况。,完整切削颤振实验非切削颤振,主轴静止时工件的振动,机床启动，但主轴静止时，由于环境等外界干扰，工件不可能绝对静止，所以需要测量主轴静止时的工件振动。（注：X向和Y向分别代表工件径向的水平和竖直方向，分别对应于软件里的CH0和CH1两个通道）,主轴静止,主轴静止时，由外界干扰引起的振动是一种无规律的微小振动。水平方向输出电压的变化范围在2.246v2.252v，电压变化值为6m
11、v，对应的振动振幅为2.4m；竖直方向输出电压的变化范围在2.411v2.417v，电压变化值也是6mv，对应的振动振幅为2.4m。,完整切削颤振实验非切削颤振,主轴空转：n=1000r/min,机床空运转时，工件的振动呈现出明显的正弦（或余弦）函数的变化规律，其振动图像也可以看作是正弦（或余弦）图像。,主轴空转,由测量数据可以得出：机床空运转时，水平方向输出电压的变化范围在2.180v2.295v，电压变化量为115mv，对应的振动振幅为46m；竖直方向输出电压的变化范围在2.483v2.606v，电压变化量为123 mv，对应的振动振幅为49.2m。与机床静止时相比，机床传动系统引起的振动
12、不容忽视，其最大振幅49.2m，已经接近车-车梳半精加工的精度要求的一半，因此，高精加工对于机床本身和工艺系统的刚度和稳定性都有更高的要求。,完整切削颤振实验T1工序切削颤振,T1 工序,开槽刀片切削过程中，工件产生明显的颤振，并且振动总体呈现增大的趋势，直至切削结束。,由测量数据可以得出：开槽刀片切削过程中，水平方向的输出电压变化范围在1.727v2.311v，电压变化量为584mv，对应的振动振幅为233.6m；竖直方向输出电压的变化范围在2.440v2.846v，电压变化量为406 mv，对应的振动振幅为162.4m。T1工序切削颤振较大，由于开槽工序属于粗加工工序，所以这样的颤振不会影
13、响曲轴轴颈的最终加工质量，但是影响切削过程的稳定性。,T1工序：vc=90m/min，f=0.25mm/r，ap=3mm.,完整切削颤振实验T2工序切削颤振,T2工序：vc=120m/min，f=0.3mm/r，ap=5.5mm.,C型刀片切削过程中，工件产生颤振相对于开槽工序要小得多，并且振动呈现一定的规律性，振动振幅先逐渐增大，到最大值后保持这个振幅，最后再逐渐减小至初始振幅。,T2 工序,由测量数据可以得出：C型刀片切削过程中，水平方向的输出电压变化范围在1.970v2.301v，电压变化量为331mv，对应的振动振幅为132.4m；竖直方向输出电压的变化范围在2.449v2.718v，
14、电压变化量为269mv，对应的振动振幅为107.6m。T2工序虽然伴随着切削颤振，但是系统时间的幅值特性随着时间的延长而减小，振动逐渐衰弱，属于稳定切削过程。,完整切削颤振实验T4工序切削颤振,T4 工序,V型刀片切削过程中，工件的颤振也相对较小。与C型刀片切削过程的颤振情况不同，随着刀具的径向切入，切削颤振振幅持续增大，切削结束后振幅迅速衰减。,由测量数据可以得出：V型刀片切削过程中，水平方向的输出电压变化范围在1.976v2.302v，电压变化量为326mv，对应的振动振幅为130.4m；竖直方向输出电压的变化范围在2.430v2.722v，电压变化量为292mv，对应的振动振幅为116.
15、8m。T4工序作为半精加工工序，其加工过程中的切削颤振振幅与T2粗加工工序相近，这说明切削颤振的大小与刀具几何结构和切削参数都有关。,T4工序：vc=150m/min，f=0.2mm/r，ap=0.5mm.,完整切削颤振实验T6工序切削颤振,T6 工序,梳型刀片切削过程中，工件的颤振很小，几乎与机床空运转时的振动相近。,由测量数据可以得出：梳型刀片切削过程中，水平方向的输出电压变化范围在2.055v2.262v，电压变化量为207mv，对应的振动振幅为82.8m；竖直方向输出电压的变化范围在2.478v2.671v，电压变化量为193mv，对应的振动振幅为77.2m。车-车梳工艺最后一步梳削工
16、序的切削颤振水平方向振幅最大为82.8m，而曲轴主轴颈加工的尺寸精度为50m，公差为100m，因此梳削可以满足曲轴轴颈加工的高精度要求。,T6工序：vc=240m/min，f=0.1mm/r，ap=0.15mm.,主轴颈车-车梳完整切削颤振实验,开槽刀片切削过程,C型刀片切削过程,V型刀片切削过程,梳型刀片切削过程,车-车梳加工完整切削颤振实验，得到了车-车梳加工各工序的颤振规律及最大振幅。,开槽刀片切削过程中，工件产生明显的颤振，并且振动总体呈现增大的趋势，最大振幅为233.6m；C刀和V刀切削过程中，工件产生颤振相对于开槽工序要小得多，并且振动呈现一定的规律性，振动振幅先逐渐增大到最大值后
17、，再逐渐减小至初始振幅。实验中C刀和V刀的最大振幅分别为132.4m和130.4m；梳刀切削过程中，工件产生颤振很小，与机床空运转时的振动相近。切削过程中的最大振幅82.8m，而曲轴主轴颈加工的尺寸精度为50m，即公差为100m，因此梳削可以满足曲轴轴颈加工的高精度要求。,梳型刀片切削颤振实验,径向和轴向切削颤振实验,径向切削,轴向切削,切入效应,梳型刀片切削颤振实验,梳刀切削颤振对比实验,梳刀切削,C刀切削,梳型刀片切削颤振实验,梳刀切削颤振对比实验,从C型刀片和梳型刀片的切削颤振图以及颤振测量数据分析，可以得出：在相同切削参数和切削余量下，虽然梳型刀片的切削颤振略大于C型刀片，但是在该实验
18、条件下两把刀片切削产生的颤振振幅都小于车-车梳工艺的加工精度要求0.05mm.测量C型刀片与梳型刀片切削完成后轴颈表面的粗糙度值，Ra分别为3.013m和2.636m，可见梳型刀片加工得到的表面质量略优于C型刀片，并且Ra值达到了曲轴主轴颈的表面粗糙度要求Ra1.63.2，无需额外的磨削。计算可知C型刀片与梳型刀片所用时间分别为7.722s和1.722s，这表明：在相同切削参数和切削余量下，梳刀的切削效率远远大于C刀，这与梳刀多刃多齿的结构和特殊的切削方式有关。在梳刀的切削颤振图中可以看出振幅的突然增大，这是因为梳刀径向进给时，刀具接触工件产生的切入效应明显，引起了切削颤振。由C刀的切削颤振图
19、可以看出，C刀切削过程平稳，振动规律稳定，这是因为C刀是从轴端下刀，只有轴向进给，没有径向切入的过程。,梳型刀片切削颤振实验,梳刀切削参数对颤振的影响实验,本实验通过改变梳型刀片的切削参数，探究了切削速度vc、进给速度f和背吃刀量ap对于梳刀加工中的切削颤振的影响，并以此为基础，分析了梳型刀片切削颤振规律。,梳型刀片切削颤振实验,梳刀切削参数对颤振的影响实验,由第、组实验可以得出，主轴转速和进给速度相同时，梳刀的背吃刀量增大，切削颤振增大；由、组实验可以得出，主轴转速和背吃刀量相同时，梳刀的进给速度增大，切削颤振增大；由、组实验可以得出，梳刀的进给速度和背吃刀量相同时，主轴的转速增大，切削颤振减小。从第-组实验的结果可以看出，第组(n=1000r/min，f=0.1mm/r，ap=0.15mm)实验过程的切削颤振最小。这说明当进给量和背吃刀量较小时，梳刀加工过程中的切削颤振也较小。实际生产中，留给梳刀加工的切削余量不会完全相同，当切削余量增大时，可以通过提高主轴转速的方式来减小切削颤振。,本实验采用的五齿梳刀的齿高为0.85mm，若背吃刀量大于0.5mm，则会严重影响刀具的可靠性和使用寿命，若梳刀加工的切削余量取得太小，又无法保证轴颈径向的尺寸精度和表面质量。因此，实际加工中梳刀的切削余量一般取为0.15mm0.5mm。,总结与展望,总结与展望,谢谢！THANKS!,
