CN105699035B - 一种车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法 - Google Patents
一种车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105699035B CN105699035B CN201610118492.3A CN201610118492A CN105699035B CN 105699035 B CN105699035 B CN 105699035B CN 201610118492 A CN201610118492 A CN 201610118492A CN 105699035 B CN105699035 B CN 105699035B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- vibration
- tool
- cutting
- pitch
- cutter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 154
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 42
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 36
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 34
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 64
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 23
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 22
- 238000010998 test method Methods 0.000 claims description 12
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims description 3
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005496 tempering Methods 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 12
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 5
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 10
- 230000009471 action Effects 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000009916 joint effect Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000035772 mutation Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
- G01M7/02—Vibration-testing by means of a shake table
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Turning (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
一种车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法，其技术要点是：一、构建试验装置；二、安装螺杆和加速度传感器、三、采用车刀在机床空转、工件空转和刀具切削状态下检测机床主轴和刀具的振动响应；四、从检测的振动时域和频域信号中提取峭度K、刀具切削前振动加速度aT、切削过程中振动加速度at、频谱值Ep、主频fp和主频数量mp求解出均方根值a0和arms，提取振动特征参数FRSZ，根据FRSZ检测机床振动、离心力振动与切削力振动对大螺距螺杆车削过程的影响。本发明揭示出机床、工件、刀具和切削工艺与振动之间的关系，为高效、精确车削大螺距螺杆的工艺设计提供了依据，适用于解决机床、刀具和工件振动导致的螺纹车削加工质量和加工效率下降问题。
Description
技术领域：
本发明涉及一种螺纹车削加工中振动对螺纹加工质量影响的测试方法，具体涉及一种车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法。
背景技术：
螺距16mm梯形螺杆是大型压力机的重要调整组件，其车削加工精度和加工表面质量对压力机整机的动静态精度具有重要影响。此类工件属于非标准件，工件直径和轴向尺寸大，螺纹槽宽且深，其车削加工工序采用全切深、左右交替式轴向进给切削方式，利用刀具左右切削刃分别形成梯形螺杆左右螺纹面。车削大螺距梯形螺杆时，一方面要求以极大的金属去除率来减少占机时间，另一方面要求低切削振动和高加工表面质量。在采用低速、大切深、高进给工艺方案切削螺杆过程中，机床、刀具和工件的振动，引起刀具与工件的切削接触关系不断变化，使螺纹加工表面形成过程处于不稳定状态，直接影响螺纹加工表面质量、加工精度和加工效率。
螺纹车削加工中的振动可分为自由振动、强迫振动、自激振动和低幅值随机振动，这些振动与加工系统本身关系密切，对螺纹加工表面质量、加工效率和刀具使用寿命影响较大。目前，在螺纹车削振动研究方面，对机床自身振动引起的切削颤振做了较深入研究，但对切削过程中离心力和动态切削力引起的振动研究较少，已有的螺纹车削振动测试方法以检测机床振动为主要目标，通过对被测工艺系统施加外在激励以达到振动测试目的，振动测试中施加的外部激励单一，没有综合考虑机床、工件、刀具所产生的多种振动激励对加工表面形成过程的影响，获得的振动测试结果和动力学模型无法解决多种振动激励作用下的大螺距螺杆车削振动问题，没有综合考虑振动多特征量之间共同作用对大螺距螺杆加工表面形成过程的影响，主要原因是认为切削中的强迫振动可以通过修改系统结构，调整切削参数和采用减振装置避免。然而，螺杆结构的变化和刀具结构的多样化，特别是加工过程中左右螺纹面切削工艺方案的调整，使已有的动力学模型和振动检测方法难以达到实用化程度。采用现有的振动检测方法和动力学建模方法，无法正确揭示出大螺距螺杆加工表面形成中的振动类型和影响程度，车削大螺距螺杆减振困难，难以获得优良的工艺方案。
发明内容：
本发明为克服现有技术的不足，提供了一种车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法，其以机床主轴转速10rpm和25rpm分别进行机床主轴空转振动和主轴带动工件空转的离心力振动实验，采用粗加工车刀以转速25rpm、径向切深4mm、轴向加工余量0.25mm和0.50mm的工艺方案进行切削螺杆振动试验，提取出六种振动特征参数，建立机床、工件离心力和切削力三种振动激励显著性影响判断；采用精加工车刀以转速10rpm、径向切深8mm、轴向加工余量0.05mm的工艺方案，进行车削螺距16mm梯形外螺纹振动实验，获取车削过程中五种加工状态下的振动数据，测试出机床振动、离心力振动与切削力振动对大螺距螺杆车削过程的影响，为高效、精确车削大螺距螺杆的工艺设计提供了依据。
本发明的车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法，为实现上述目的所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤一、设计并构建出一个用于测试螺距16mm梯形外螺纹车削振动的实验装置，该装置由机床、螺距16mm梯形螺杆、粗加工螺纹车刀、精加工螺纹车刀、二个高频传感器、二个低频传感器和振动信号测试分析系统组成；
步骤二、安装螺杆和加速度传感器，螺杆采用机床主轴端部的三爪卡盘和机床尾座上的顶尖定位、夹紧，在机床上部最接近主轴端部的固定位置处和刀具底部各安放一个高频传感器，在机床最接近主轴端部的固定位置侧面和刀具侧面各安放一个低频传感器；
步骤三、刀具分别采用粗加工螺纹车刀和精加工螺纹车刀，在机床主轴空转、机床主轴带动工件空转和刀具切削三种工况条件下，分别通过两个高频传感器和两个低频传感器检测机床主轴和刀具的振动响应，具体是：首先，变换不同转速，测试机床主轴空转时主轴和刀具上的振动响应，判别机床的动力稳定性；其次，变换不同转速，测试机床主轴带动工件空转时主轴和刀具上的振动响应，识别工件的离心力的振动响应；最后，采用预定转速和进给速度，测试切削过程中主轴和刀具上的振动响应，识别刀具的切削力振动响应；
步骤四：从步骤三中检测的振动响应中的振动时域和频域信号中提取峭度K、刀具切削前的振动加速度aT、切削过程中的振动加速度at、频谱值Ep、主频fp和主频数量mp，再根据式(1)利用aT和at求解出均方根值a0和arms：
式中：T为切削前振动信号的采样时刻，T'为切削前振动信号的采样总时间，t为切削过程中振动信号的采样时刻，t′为切削过程中振动信号的采样总时间，j为T'时间内采样数量，i为t′时间内的采样数量，T在0～T'时间内按时间间隔T'/j的整数倍取值，t在0～t′时间内按时间间隔t′/i的整数倍取值，提取振动特征参数为FRSZ＝{K，arms，a0，mp，fp，Ep}，根据获取的FRSZ检测机床振动、离心力振动与切削力振动对大螺距螺杆车削过程的影响；
步骤五：建立以刀具的切削力为主要激励的振动判据为a0＜＜arms，建立以机床振动和工件空转的离心力为主要激励的振动判据为a0≈arms。
作为本发明的进一步改进，步骤三中的刀具采用粗加工螺纹车刀时，首先，机床上未安装螺杆，主轴分别以转速10rpm和25rpm进行空转；其次，机床上安装螺杆，主轴带动螺杆分别以转速10rpm和25rpm空转；最后，刀具在转速25rpm、径向切深4mm条件下，分别按周向加工余量0.25mm和0.50mm切削螺杆，此三种工况测试时，刀具随主轴旋转按螺距16mm的进给速度沿主轴周向从右至左移动，通过粗加工螺纹车刀进行切削螺杆振动实验，提取出六种振动特征参数，建立机床、工件离心力和切削力三种振动激励显著性影响判断。
作为本发明的进一步改进，步骤三中的刀具采用精加工螺纹车刀时，分别通过两个高频传感器和两个低频传感器检测机床在停机、开机、主轴空转、工件旋转但刀具只运动不切削和刀具小余量切削五种状态下的机床主轴与刀具沿机床坐标系x、y、z三个方向的振动时域、频域响应信号，其中，主轴转速均为10rpm，刀具切削方案为：刀具沿z向从右至左单侧逐层切削时，刀具径向切深为8mm、轴向加工余量为0.05mm，通过精加工螺纹车刀进行车削螺距16mm梯形外螺纹振动实验，获取车削过程中五种加工状态下的振动数据，测试出机床振动、离心力振动与切削力振动对大螺距螺杆车削过程的影响。
作为本发明的进一步改进，所述螺距16mm梯形外螺杆采用35CrMo调质处理制成，其直径120mm、长度200mm、螺距16mm、重量16.649kg，该试件的材质和规格尺寸与压力机上的大螺距梯形外螺纹工件待加工部位的材质和规格尺寸相一致，采用该试件进行车削加工时，其动态切削载荷能够反映出车削大螺距梯形外螺纹工件的动态切削载荷。
作为本发明的进一步改进，所述粗加工螺纹车刀和精加工螺纹车刀均带有左右两个切削刃，且两个切削刃的刃倾角和前角均为0°、刀尖角均为103°，粗加工螺纹车刀左右切削刃后角均为5°、左刃主偏角77°、右刃主偏角103°、右切削刃后角为5°58’、主偏角106o14’、刀尖角为106°14’；精加工螺纹车刀左切削刃后角为8°52’、主偏角76°2’、刀尖角为103°58’，精加工螺纹车刀右切削刃后角为5°58’、主偏角106°14’、刀尖角为106°14’，粗加工螺纹车刀用于去除螺距16mm梯形外螺杆毛坯试件的主要加工余量，使试件达到螺距16mm梯形外螺纹的结构，并保证为下一步进行车削螺纹精加工留有足够的加工余量，采用此些角度的粗加工螺纹车刀进行切削振动实验能反映出车削大螺距螺纹时大加工余量和大切削力载荷状态下的振动特性；精加工螺纹车刀用于去除粗加工螺距16mm梯形外螺杆试件后留有的小加工余量，使试件达到螺距16mm梯形外螺纹的结构和加工质量要求，采用此些角度的精加工螺纹车刀进行切削振动实验能反映出车削大螺距螺纹时小加工余量和小切削力载荷状态下的振动特性。
作为本发明的进一步改进，所述高频传感器为电荷输出型PCB三轴加速度传感器，所述低频传感器为单轴电荷输出型DH105单向加速度传感器，通过此两种传感器分别检测低频振动和高频振动。
本发明的有益效果是：本发明利用机床空转、螺杆空转和大余量切削三种工况下的振动实验，获得了机床主轴端部和刀具对机床振动、螺杆离心力振动与切削力振动的响应特性；通过小余量精加工车削实验，采用六种振动特征参数检测出大螺距螺杆车削工艺系统中存在的振动组成和振动性质，振动激励突变与刀具切入、切出时的冲击作用强度，和机床振动、离心力振动与切削力振动对大螺距螺杆车削过程的影响，该方法适用于解决机床、刀具和工件振动导致的螺纹车削加工质量和加工效率下降问题。本发明通过大螺距螺杆车削振动实验，利用机床、工件、刀具、主轴转速、进给速度、径向切深、加工余量等工艺变量对机床主轴与刀具振动影响特性，提取出六种振动特征参数，建立了大螺距螺杆车削过程中机床、工件离心力和切削力三种振动激励显著性影响判据，获得了车削大螺距螺杆过程中五种加工状态下的振动特性，揭示出机床、工件、刀具和切削工艺与振动之间的关系，解决了车削大螺距螺杆过程中振动激励的构成和影响特性上存在的模糊性和不确定性问题，为高效、精确车削大螺距螺杆的工艺设计提供了依据。
附图说明：
图1为大螺距梯形外螺纹车削振动的实验装置图；
图2是粗加工螺纹车刀的主视图；
图3为图3的俯视图；
图4是精加工螺纹车刀的主视图；
图5是图4的俯视图；
图6是第一PCB三轴加速度传感器测得的频域信号图；
图7是第一DH105单向加速度传感器测得的频域信号图；
图8是第二DH105单向加速度传感器测得的频域信号图；
图9是第一PCB三轴加速度传感器测得的频域信号图；
图10是主轴转速为25rpm时机床主轴带动工件空转工况下机床主轴端部振动频率图；
图11是主轴转速为25rpm时加工余量为0.25mm的切削工况下机床主轴端部振动频率图；
图12是主轴转速为25rpm时机床主轴带动工件空转工况下刀具振动频率图；
图13是主轴转速为25rpm时加工余量为0.25mm的切削工况下刀具振动频率图；
图14是刀具沿切削速动方向的振动时域特征参数提取图；
图15是刀具沿切削速动方向的振动频域特征参数提取图；
图16是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床停机状态下机床主轴的时域振动信号图；
图17是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床开机状态下机床主轴的时域振动信号图；
图18是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床主轴空转状态下机床主轴的时域振动信号图；
图19是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床带动工件旋转状态下机床主轴的时域振动信号图；
图20是螺距16mm螺纹精加工振动测试中刀具切削时机床主轴的时域振动信号图；
图21是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床停机状态下刀具的时域振动信号图；
图22是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床开机状态下刀具的时域振动信号图；
图23是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床主轴空转状态下刀具的时域振动信号图；
图24是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床带动工件旋转状态下刀具的时域振动信号图；
图25是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床切削时刀具的时域振动信号图；
图26是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床停机状态下机床主轴的频域振动信号图；
图27是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床开机状态下机床主轴的频域振动信号图；
图28是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床主轴空转状态下机床主轴的频域振动信号图；
图29是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床带动工件旋转状态下机床主轴的频域振动信号图；
图30是螺距16mm螺纹精加工振动测试中刀具切削时机床主轴的频域振动信号图；
图31是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床停机状态下刀具的频域振动信号图；
图32是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床开机状态下刀具的频域振动信号图；
图33是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床主轴空转状态下刀具的频域振动信号图；
图34是螺距16mm螺纹精加工振动测试中机床带动工件旋转状态下刀具的频域振动信号图；
图35是螺距16mm螺纹精加工振动测试中刀具切削时刀具的频域振动信号图；
图36是螺距16mm螺纹精加工中峭度K的振动特性图；
图37是螺距16mm螺纹精加工中初始振动均方根值a0的振动特性图；
图38是螺距16mm螺纹精加工中振动有效值arms的振动特性图；
图39是螺距16mm螺纹精加工中频率为1262Hz频率值的振动特性图；
图40是螺距16mm螺纹精加工中频率为703Hz频率值的振动特性图；
图41是螺距16mm螺纹精加工中频率为361Hz频率值的振动特性图。
具体实施方式：
该车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法，包括以下步骤：
步骤一、如图1所示，设计并构建出一个用于测试螺距16mm梯形外螺纹车削振动的实验装置，该装置由机床5、螺距16mm梯形螺杆6、作为刀具7的粗加工螺纹车刀和精加工螺纹车刀、二个高频传感器、二个低频传感器和振动信号测试分析系统组成，其中，所述螺距16mm梯形外螺杆采用35CrMo调质处理制成，其直径120mm、长度200mm、螺距16mm、重量16.649kg；所述粗加工螺纹车刀和精加工螺纹车刀均带有左右两个切削刃，且两个切削刃的刃倾角和前角均为0°、刀尖角均为103°，如图2、图3所示，粗加工螺纹车刀左右切削刃后角均为5°、左刃主偏角77°、右刃主偏角103°、右切削刃后角为5°58’、主偏角106o14’、刀尖角为106°14，如图4、图5所示，精加工螺纹车刀左切削刃后角为8°52’、主偏角76°2’、刀尖角为103°58’，精加工螺纹车刀右切削刃后角为5°58’、主偏角106°14’、刀尖角为106°14’；所述高频传感器为电荷输出型PCB三轴加速度传感器，所述低频传感器为单轴电荷输出型DH105单向加速度传感器；所述振动信号测试分析系统是用于测试系统模态振动特性、评判系统的振动传递特性的一个振动测试系统，该系统本身为本领域技术人员所知晓的现有技术，本实施方式中所用的系统是由东华测试技术股份有限公司开发的；
步骤二、安装螺杆和加速度传感器，螺杆采用机床主轴端部的三爪卡盘和机床尾座上的顶尖8定位、夹紧，在机床上部最接近主轴端部的固定位置处安装第一PCB三轴加速度传感器1、在机床最接近主轴端部的固定位置侧面安装第一DH105单向加速度传感器2、在刀具侧面安放第二DH105单向加速度传感器3、在刀具底部安放第二PCB三轴加速度传感器4；
步骤三、刀具分别采用粗加工螺纹车刀和精加工螺纹车刀进行车削，在机床主轴空转、机床主轴带动工件空转和刀具切削三种工况条件下，分别通过两个高频传感器和两个低频传感器检测机床主轴和刀具的振动响应，具体是：首先，变换不同转速，测试机床主轴空转时主轴和刀具上的振动响应，判别机床的动力稳定性；其次，变换不同转速，测试机床主轴带动工件空转时主轴和刀具上的振动响应，识别工件的离心力的振动响应；最后，采用预定转速和进给速度，测试切削过程中主轴和刀具上的振动响应，识别刀具的切削力振动响应，当采用粗加工螺纹车刀进行车削时，首先，机床上未安装螺杆，主轴分别以转速10rpm和25rpm进行空转；其次，机床上安装螺杆，主轴带动螺杆分别以转速10rpm和25rpm空转；最后，刀具在转速25rpm、径向切深4mm条件下，分别按周向加工余量0.25mm和0.50mm切削螺杆，此三种工况测试时，刀具随主轴旋转按螺距16mm的进给速度沿主轴周向从右至左移动；当采用精加工螺纹车刀进行车削时，分别通过两个高频传感器和两个低频传感器检测机床在停机、开机、主轴空转、工件旋转但刀具只运动不切削和刀具小余量切削五种状态下的机床主轴与刀具沿机床坐标系x、y、z三个方向的振动时域、频域响应信号，其中，主轴转速均为10rpm，刀具切削方案为：刀具沿z向从右至左单侧逐层切削时，刀具径向切深为8mm、轴向加工余量为0.05mm；
步骤四：从步骤三中检测的振动响应中的振动时域和频域信号中提取峭度K、刀具切削前的振动加速度aT、切削过程中的振动加速度at、频谱值Ep、主频fp和主频数量mp，再根据式(1)利用aT和at求解出均方根值a0和arms：
式中：T为切削前振动信号的采样时刻，T'为切削前振动信号的采样总时间，t为切削过程中振动信号的采样时刻，t′为切削过程中振动信号的采样总时间，j为T'时间内采样数量，i为t′时间内的采样数量，T在0～T'时间内按时间间隔T'/j的整数倍取值，t在0～t′时间内按时间间隔t′/i的整数倍取值，提取振动特征参数为FRSZ＝{K，arms，a0，mp，fp，Ep}，根据获取的FRSZ检测机床振动、离心力振动与切削力振动对大螺距螺杆车削过程的影响；
步骤五：建立以刀具的切削力为主要激励的振动判据为a0<<arms，建立以机床振动和工件空转的离心力为主要激励的振动判据为a0≈arms。
按上述测试方法进行实验，获得表1所示的各传感器的振动响应频率，
表1各传感器的振动响应频率
对比表1所示的实验结果发现，在相同实验条件下，四个传感器在机床主轴端部和刀具上均检测出相同频率的振动响应信号。如图6、图7、图8和图9所示，同时发现，第一PCB三轴加速度传感器1、第二PCB三轴加速度传感器4的时域和频域信号分别强于第一DH105单向加速度传感器2、第二DH105单向加速度传感器3输出的信号。
由表1可见，在不同实验条件下，各传感器输出的频域信号中均存在703Hz主频信号；主轴转速由10rpm提高至25rpm，各传感器输出的频域信号中出现第二主频，且切削力改变了刀具振动主频；加工余量由0.25mm增至0.50mm，如图10、图11、图12和图13所示，切削力的增大没有引起各传感器输出的频域信号和两个主频的改变。
上述结果表明，该实验机床动力学特性在主轴端部和刀具上的振动响应频率为703Hz，且处于稳定状态；转速由10rpm增至25rpm所引起的离心力振动响应频率为490Hz，切削力与离心力共同作用的振动响应频率则为312Hz，采用上述实验测试方法，可有效识别出机床自身振动、工件的离心力振动和刀具的切削力振动。同时发现，车削大螺距螺纹加工中，离心力和切削力引起的振动并不是一种频率等于转速六十分之一或其整数倍的低频振动，而是一种与工件和刀具自身结构及安装定位方式有关的高频振动。
其中，采用精加工螺纹车刀车削螺距16mm梯形外螺纹的六种振动参数的提取方法为：采用第一PCB三轴加速度传感器1、第二PCB三轴加速度传感器4进行车削螺距16mm梯形外螺纹实验，主轴转速10rpm、刀具径向切深8mm，沿z向从右至左单侧逐层切削，单次加工余量为0.05mm，获取机床主轴端部和刀具振动响应信号。其中，刀具沿切削速度方向(y向)振动的时域、频域信号如图14和图15所示。分析图14可知，峭度K反映出刀具切削中存在的冲击，峭度K值越大，说明系统中存在的外部激励突变越大，能量变化越大，冲击作用越大，但当上升到一定程度后，随着冲击信号不断发展，峭度K反而会下降，表明峭度K对加工早期冲击信号有较高的敏感性，但是在稳定性方面不好，因此，采用峭度K可以识别和评价外部激励突变与刀具切入、切出时的冲击作用强度。
aT和at分别为切削前和切削过程中的振动加速度，其大小反映了工艺系统某一时刻振动的强弱，数值越大，说明系统振动越剧烈，其正负反映了工艺系统的振动方向，由图15可知，低速车削大螺距螺纹过程中，刀具振动存在多个能量较为集中的主频，利用FFT变换获得的频谱值Ep、主频fp和主频数量mp，可识别出切削中存在的振动组成和振动性质，利用aT和at求解出的均方根值a0和arms则分别表示在切削前和切削过程中某一时段内系统振动加速度的有效值，利用该参数能够识别出不同时段振动信号的强度。
式中：T为切削前振动信号的采样时刻，T'为切削前振动信号的采样总时间，t为切削过程中振动信号的采样时刻，t′为切削过程中振动信号的采样总时间，j为T'时间内采样数量，i为t′时间内的采样数量，T在0～T'时间内按时间间隔T'/j的整数倍取值，t在0～t′时间内按时间间隔t′/i的整数倍取值，据此，可获得如下振动特征参数：
FRSZ＝{K，arms，a0，mp，fp，Ep} (3)
建立机床自身振动，机床主轴带动工件旋转时离心力所引起的振动和切削力所引起的振动判据为：
a0<<arms (4)
a0≈arms (5)
当a0和arms满足式(4)时，说明切削力引起的振动响应显著，切削中的振动表现为以切削力为主要激励的振动；当a0和arms满足式(5)时，切削中的振动则表现为以机床振动和离心力为主要激励的振动。
利用式(3)中的六个振动时域、频域特征参数和式(4)、式(5)，可识别出车削大螺距螺纹加工中存在的机床自身振动、机床主轴带动工件旋转时离心力所引起的振动和切削力所引起的振动，以及上述三种振动对大螺距螺纹车削过程的影响。
采用精加工螺纹车刀进行车削螺距16mm梯形外螺纹的测试实验时，分别检测机床停机、开机、主轴空转、工件旋转但刀具只运动不切削和刀具小余量切削五种状态下的机床主轴与刀具沿机床坐标系x、y、z三个方向的振动时域、频域响应信号，其中主轴空转、工件旋转不切削和刀具切削三种状态下，主轴转速均为10rpm；刀具切削方案为：刀具沿z向从右至左单侧逐层切削时，刀具径向切深8mm、轴向加工余量为0.05mm；实验获得五种状态下的机床主轴与刀具沿机床坐标系x、y、z三个方向的振动时域、频域响应如图16、图17、图18、图19、图20、图21、图22、图23、图24、图25、图26、图27、图28、图29、图30、图31、图32、图33、图34和图35所示，机床主轴端部和刀具在机床停机、开机两种状态下无明显振动响应，表明大螺距螺纹车削工艺系统无外部振动激励，系统处于稳定状态；机床主轴空转和工件旋转所引起的离心力振动，在主轴端部和刀具上的响应频率均为703Hz；切削力振动在主轴端部上的响应频率为361Hz，在刀具上的响应频率则为361Hz、1262Hz。
采用式(3)进行螺距16mm梯形外螺纹精加工振动特性识别，如图36、图37、图38、图39、图40和图41所示，其中，E1、E2、E3分别为频率1262Hz、703Hz和361Hz对应的频谱值，C1x、C2x、C3x、C4x、C5x，C1y、C2y、C3x、C4y、C5y和C1z、C2z、C3z、C4z、C5z分别代表停机、开机、主轴空转、工件空转和刀具切削等五种测试状态下沿x、y、z三个方向的振动。由图10可知，五种实验状态依次变换所引起的振动激励改变，在机床主轴端部和刀具上均引起峭度K、刀具切削前和切削过程中振动加速度均方根值a0和arms、主频fp、主频数量mp、频谱值Ep等六个振动特征参数发生明显变化，式(3)能反映出大螺距螺杆车削振动的变化。由图36、图37和图38可以看出，随着机床主轴离心力、工件离心力和切削力的逐次施加，该工艺系统中能量增加引起的冲击作用和振动强度明显增强；与主轴空转振动相比，工件离心力既没有在机床主轴端部和刀具上产生更大的冲击，也没有显著增加振动强度；由图37和图38和式(4)、式(5)可知，切削力引起的振动响应显著，切削中的振动表现为以切削力为主要激励的振动，且切削力在刀具上所产生的冲击作用和振动强度明显大于机床主轴端部；由图39、图40和图41可知，频率为703Hz振动来自于机床主轴空转振动激励，频率为361Hz和1262Hz的振动则来自于切削力激励。上述三种振动决定了切削过程中的刀具振动行为；切削过程中机床主轴端部的振动行为则主要受机床主轴空转振动激励和切削力低频振动影响。
采用式(3)、式(4)、式(5)可检测和识别出机床振动、离心力振动与切削力振动对大螺距螺杆车削过程的影响。
该结果表明，车削大螺距螺纹精加工中，离心力和切削力引起的振动并不是一种频率等于转速六十分之一或其整数倍的低频振动，而是一种与机床自身振动有关的高频振动，采用基于离心力、切削力与转速关系的动态离心力和动态切削力模型，建立的低转速条件下车削大螺距螺纹动力学模型，无法正确揭示车削大螺距螺纹振动特性，而应利用车削大螺距螺纹中机床主轴端部和刀具上的振动响应来重构动态离心力和动态切削力模型。
Claims (6)
1.一种车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、设计并构建出一个用于测试螺距16mm梯形外螺纹车削振动的实验装置，该装置由机床、螺距16mm梯形外螺杆、粗加工螺纹车刀、精加工螺纹车刀、二个高频传感器、二个低频传感器和振动信号测试分析系统组成；
步骤二、安装螺距16mm梯形外螺杆、高频传感器和低频传感器，螺距16mm梯形外螺杆采用机床主轴端部的三爪卡盘和机床尾座上的顶尖定位、夹紧，在机床上部最接近主轴端部的固定位置处和刀具底部各安放一个高频传感器，在机床最接近主轴端部的固定位置侧面和刀具侧面各安放一个低频传感器；
步骤三、刀具分别采用粗加工螺纹车刀和精加工螺纹车刀进行车削，在机床主轴空转、机床主轴带动工件空转和刀具切削三种工况条件下，分别通过两个高频传感器和两个低频传感器检测机床主轴和刀具的振动响应，具体是：首先，变换不同转速，测试机床主轴空转时主轴和刀具上的振动响应，判别机床的动力稳定性；其次，变换不同转速，测试机床主轴带动工件空转时主轴和刀具上的振动响应，识别工件的离心力的振动响应；最后，采用预定转速和进给速度，测试切削过程中主轴和刀具上的振动响应，识别刀具的切削力振动响应；
步骤四：从步骤三中检测的振动响应中的振动时域和频域信号中提取峭度K、刀具切削前的振动加速度aT、切削过程中的振动加速度at、频谱值Ep、主频fp和主频数量mp，再根据式(1)、式(2)利用aT和at求解出第一均方根值a0和第二均方根值arms：
<mrow>
<msub>
<mi>a</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mi>j</mi>
</mfrac>
<mo>&CenterDot;</mo>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>T</mi>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
</mrow>
<msup>
<mi>T</mi>
<mo>&prime;</mo>
</msup>
</munderover>
<msubsup>
<mi>a</mi>
<mi>T</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
</msqrt>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>a</mi>
<mrow>
<mi>r</mi>
<mi>m</mi>
<mi>s</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mi>i</mi>
</mfrac>
<mo>&CenterDot;</mo>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
</mrow>
<msup>
<mi>t</mi>
<mo>&prime;</mo>
</msup>
</munderover>
<msubsup>
<mi>a</mi>
<mi>t</mi>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
</msqrt>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：T为切削前振动信号的采样时刻，T'为切削前振动信号的采样总时间，t为切削过程中振动信号的采样时刻，t′为切削过程中振动信号的采样总时间，j为T'时间内采样数量，i为t′时间内的采样数量，T在0～T'时间内按时间间隔T'/j的整数倍取值，t在0～t′时间内按时间间隔t′/i的整数倍取值，提取振动特征参数为FRSZ＝{K,arms,a0,mp,fp,Ep}，根据获取的FRSZ检测机床振动、离心力振动与切削力振动对大螺距螺距16mm梯形外螺杆车削过程的影响；
步骤五：建立以刀具的切削力为主要激励的振动判据为a0＜＜arms，建立以机床振动和工件空转的离心力为主要激励的振动判据为a0≈arms。
2.如权利要求1所述的车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法，其特征在于：步骤三中的刀具采用粗加工螺纹车刀时，首先，机床上未安装螺距16mm梯形外螺杆，主轴分别以转速10rpm和25rpm进行空转；其次，机床上安装螺距16mm梯形外螺杆，主轴带动螺距16mm梯形外螺杆分别以转速10rpm和25rpm空转；最后，刀具在转速25rpm、径向切深4mm条件下，分别按周向加工余量0.25mm和0.50mm切削螺距16mm梯形外螺杆，此三种工况测试时，刀具随主轴旋转按螺距16mm的进给速度沿主轴周向从右至左移动。
3.如权利要求1所述的车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法，其特征在于：步骤三中的刀具采用精加工螺纹车刀时，分别通过两个高频传感器和两个低频传感器检测机床在停机、开机、主轴空转、工件旋转但刀具只运动不切削和刀具小余量切削五种状态下的机床主轴与刀具沿机床坐标系x、y、z三个方向的振动时域、频域响应信号，其中，主轴转速均为10rpm，刀具切削方案为：刀具沿z向从右至左单侧逐层切削时，刀具径向切深为8mm、轴向加工余量为0.05mm。
4.如权利要求1所述的车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法，其特征在于：所述螺距16mm梯形外螺杆采用35CrMo调质处理制成，其直径120mm、长度200mm、螺距16mm、重量16.649kg。
5.如权利要求1所述的车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法，其特征在于：所述粗加工螺纹车刀和精加工螺纹车刀均带有左右两个切削刃，且两个切削刃的刃倾角和前角均为0°、刀尖角均为103°，粗加工螺纹车刀左右切削刃后角均为5°、左刃主偏角77°、右刃主偏角103°、右切削刃后角为5°58'、主偏角为106°14'、刀尖角为106°14'；精加工螺纹车刀左切削刃后角为8°52'、主偏角76°2'、刀尖角为103°58'，精加工螺纹车刀右切削刃后角为5°58'、主偏角为106°14'、刀尖角为106°14'。
6.如权利要求1所述的车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法，其特征在于：所述高频传感器为电荷输出型PCB三轴加速度传感器，所述低频传感器为单轴电荷输出型DH105单向加速度传感器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610060423 | 2016-01-28 | ||
| CN2016100604231 | 2016-01-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105699035A CN105699035A (zh) | 2016-06-22 |
| CN105699035B true CN105699035B (zh) | 2018-01-12 |
Family
ID=56223771
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610118492.3A Expired - Fee Related CN105699035B (zh) | 2016-01-28 | 2016-03-02 | 一种车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105699035B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107368032B (zh) * | 2017-08-18 | 2019-05-10 | 哈尔滨理工大学 | 大螺距螺杆车削工艺系统综合频响函数方程构建方法 |
| CN113543912B (zh) * | 2019-04-11 | 2023-12-26 | 西铁城时计株式会社 | 机床及感测方法 |
| CN110987273B (zh) * | 2019-12-10 | 2021-08-10 | 华能威宁风力发电有限公司 | 水平轴风力发电机组叶根连接高强螺栓轴力载荷解耦方法 |
| CN116140658A (zh) * | 2021-11-23 | 2023-05-23 | 济南大学 | 一种通过超声振动抑制车削中杆类零件自激振动的方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4436445A1 (de) * | 1994-10-13 | 1996-04-18 | Widia Heinlein Gmbh | Verfahren zum Bewerten des dynamischen Verhaltens von spanend arbeitenden Werkzeugen |
| CN102896557A (zh) * | 2012-09-17 | 2013-01-30 | 东北大学 | 一种车铣复合加工切削力测量方法 |
| CN103217266A (zh) * | 2013-03-27 | 2013-07-24 | 清华大学 | 机床振动测试的载荷与响应信号同步采集系统及其方法 |
| CN103268430A (zh) * | 2013-06-20 | 2013-08-28 | 上海理工大学 | 基于机床刀具动刚度测量的铣削工艺参数优化方法 |
| CN105033764A (zh) * | 2015-06-26 | 2015-11-11 | 哈尔滨理工大学 | 一种淬硬钢模具铣削稳定性的检测方法 |
-
2016
- 2016-03-02 CN CN201610118492.3A patent/CN105699035B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4436445A1 (de) * | 1994-10-13 | 1996-04-18 | Widia Heinlein Gmbh | Verfahren zum Bewerten des dynamischen Verhaltens von spanend arbeitenden Werkzeugen |
| CN102896557A (zh) * | 2012-09-17 | 2013-01-30 | 东北大学 | 一种车铣复合加工切削力测量方法 |
| CN103217266A (zh) * | 2013-03-27 | 2013-07-24 | 清华大学 | 机床振动测试的载荷与响应信号同步采集系统及其方法 |
| CN103268430A (zh) * | 2013-06-20 | 2013-08-28 | 上海理工大学 | 基于机床刀具动刚度测量的铣削工艺参数优化方法 |
| CN105033764A (zh) * | 2015-06-26 | 2015-11-11 | 哈尔滨理工大学 | 一种淬硬钢模具铣削稳定性的检测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105699035A (zh) | 2016-06-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105699035B (zh) | 一种车削大螺距梯形外螺纹的振动测试方法 | |
| Kayhan et al. | An experimental investigation of chatter effects on tool life | |
| Shen et al. | A study of surface roughness variation in ultrasonic vibration-assisted milling | |
| Huang et al. | Milling force vibration analysis in high-speed-milling titanium alloy using variable pitch angle mill | |
| CN110102787B (zh) | 一种基于幅值调制的变主轴转速车削颤振抑制方法 | |
| Li | Detection of tool flute breakage in end milling using feed-motor current signatures | |
| CN111230590B (zh) | 拉削加工稳定性监测方法及系统 | |
| Bhuiyan et al. | Tool condition monitoring using acoustic emission and vibration signature in turning | |
| Jung et al. | Study on process monitoring of elliptical vibration cutting by utilizing internal data in ultrasonic elliptical vibration device | |
| Xu et al. | Enhancement of machinability study in longitudinal ultrasonic vibration-assisted milling Inconel 718 using high-frequency-vibration spindle | |
| Liu et al. | Improved dynamic cutting force model in peripheral milling. Part II: experimental verification and prediction | |
| JP5716955B2 (ja) | 切削加工装置，振動条件提示装置及びその方法 | |
| Amin et al. | Investigation of effect of chatter amplitude on surface roughness during end milling of medium carbon steel | |
| Yusoff et al. | Experimental validation of chatter stability for variable helix milling tools | |
| KR20190133888A (ko) | 가속도 센서를 이용한 채터 감지 방법 및 시스템 | |
| Li et al. | Tool condition monitoring based on vibration signal from an on-rotor sensor in CNC turning process | |
| Peigne et al. | Self-excited vibratory drilling: a dimensionless parameter approach for guiding experiments | |
| CN102416486A (zh) | 镗床的控制装置 | |
| CN202388313U (zh) | 镗床的控制装置 | |
| CN107553218B (zh) | 一种刀具振动对刀具后刀面磨损宽度影响特性的检测方法 | |
| Saeed Matty Samarjy | Estimating The Limits of Stability under Several Working Conditions at Experimental Turning | |
| CN109759901A (zh) | 基于主轴系统非对称刚度调控的铣削颤振控制方法 | |
| Azka et al. | Influence of Tool Inclination on Chatter Vibration in Ball-End Milling | |
| Li et al. | Theoretical and experimental investigation of the effects of an irregular-pitch cutter on vibration in face-milling | |
| Zhu et al. | Investigation on the Surface Integrity of 40Cr Steel Machined by Rotary Ultrasonic Flank Milling |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180112 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |