XIAOZHONGMING

来源：北京福田康明斯发动机有限公司制造工程部  作者：邱国生 杨云祥 赵河 姬坤

      摘要：在柴油发动机制造领域，铸铁工件的铣削加工过程十分普遍，本文采用故障树分析方法,对主要原因采用冲击振动实验法得到夹具和主轴系统的频响函数，检查机械系统的正确性，同时对伺服进给控制系统进行检查，使得其控制系统达到最佳状态，然后针对盘铣刀加工发动机缸体顶面的自激振动进行频谱研究，得到过程振动频谱和大小规律，刀具耐用度的影响规律以及对表面几何精度[1]加工质量的影响规律。最后成功的找到本案例中面铣生产率低的根本原因。


      关键词：铸铁;铣刀寿命；频响函数;自激振动


      灰铸铁具有成本低廉，生产工艺简单，铸造和切削加工性能良好，且具有很高的耐磨减摩性、消振性以及较低的缺口敏感性等，是机械制造业中应用最为广泛的重要材料之一，福田康明斯ISF3.8L系列发动机的缸体采用的就是铸铁材料，对于铣顶面工序，我们采用的是德国MAG专机，加工方式采用高速断续切削；X轴与Y轴进给控制采用的是西门子611U伺服控制系统；目前该设备在单班加工1500件左右时，刀具急剧磨损、掉渣，刀具在切削灰铸铁时产生的崩碎切屑碎片及脱落的碳化物硬质点引起工件表面和后刀片研磨作用导致后刀面磨料磨损，后刀面一旦磨损后其发热效果明显，切削温度明显升高，同时尺寸不合格，加工质量不稳定，只能通过换刀具解决问题，频繁换刀严重影响正常生产和制造成本；主要原因表现在颤振[2]，即加工过程中的自激振动[3]导致较大的切削力、振动位移,刀具寿命及加工表面精度[4]降低。


      1、故障树分析


      故障树分析是一种描述事故因果关系的有方向的"树",是系统安全工程中的重要的分析方法之一,他能对各种系统的危险性进行识别评价,既适用于定性分析,又能进行定量分析,具有简明,形象化的特点,体现了以系统工程方法研究安全问题的系统性,准确性和预测性。它是一种从系统到部件，再到零件，按“下降形”分析的方法。也可以用来分析零件、部件或子系统故障对系统故障的影响，其中包括人为因素和环境条件等在内。


      2、主轴及夹具系统的稳定性测量


      主轴系统刀尖点和夹紧状态下的工件频响函数是衡量和评价机床切削稳定性的重要指标,是优化机床加工工艺、评价机床动态特性以及综合性能的依据。


      获得频响函数的方法一般可以分为理论法和试验法两种。理论法是以某种理论(例如有限元法等)为依据,根据主轴和夹具系统的具体结构建立其动力学分析模型,利用Ansys或是Matlab等软件分析或仿真得到频响函数的方法。试验法是指针对实际的机床主轴和夹具系统,利用振动试验，一般采用锤击法来获得刀盘和工件与夹具的频响函数。


      2.1夹具的频响函数


      首先介绍下频响函数（传递函数）相关信号处理知识。有平稳随机信号x(t)，y(t)则x(t)，y(t)的自相关与互相关函数，如下：

      互相关函数直接反应两个信号在时域之间的相关性，描述了两组样本数据之间的依赖关系；而自功率谱与互功率谱密度函数就是对各自的相关函数做傅里叶变换,如下：

      互功率谱密度函数描述两个信号在频域里的相关特性，可以利用互功率谱密度函数求出线性系统的频率响应函数，如下：

      相关函数又称为凝聚函数,表征两个信号的相关性：

      现场敲击缸体实验示意图1：其中x（t）为力锤信号，y（t）为振动加速度信号，经过计算机处理，FFT采用5次线性平均的方法得到相应的相干函数和频响图：

图1 工件频响函数现场示意图

图2 工件（夹紧状态）频响和相干曲线

      通过图2频响函数及其对应的相干函数我们可以得出：由于锤头过硬，导致低频相干不是很好，相干函数整体表现不错，在整个分析频域将系统激励起来，相干函数显示结果可以接受，试验结果可信且低频处没有产生共振峰值，在1.5kHz后面，产生共振最大峰值；

图3 刀盘（装刀状态）频响和相干曲线

      2.2刀盘的频响函数


      同样FFT采用5次线性平均的方法得到相应的相干函数和频响图：通过图3频响函数及其对应的相干函数我们可以得出：由于锤头过硬，导致低频相干不是很好，相干函数整体表现不错，力在整个2.5kHZ内衰减不大，在整个分析频域将系统激励起来，相干函数显示结果可以接受，试验结果可信且低频处没有产生共振峰值；


        测量加工过程中的速度频谱：

图4 速度频谱

      通过对加工过程的速度频谱（图4）进行分析，可以看出，高频处没有产生较大的振幅；不需要进行模态分析，仅通过简单的频响函数测量，排除了共振对刀具磨损影响，对生产率低的贡献；


      3、伺服控制系统的测试


      机床采用西门子611U伺服控制系统，我们对X，Y轴进给控制进行参考频率响应测试，如下：

图5 X，Y轴伺服控制系统频响曲线

      通过图5观察，我们可以得到：


      1.响应带宽远大于200Hz。


      2.响应带宽内，增益水平没有超过10dB。


      此部分可以得出，伺服控制系统运行平稳，对系统振动和生产率低的原因没有产生贡献；


      4、加工频谱测量


      刀具参数及加工质量要求如下：

图6 加工频谱1

      此盘铣刀直径为315mm，均布40个刀片，材料为立方氮化硼（CBN），中性切削，前角为0°，32个切削刃，8个修光刃。刀盘与刀片在出厂时装配后保证配合精度，达到端面切削刃跳动为0.025mm以内，修光刃跳动为0.003mm以内，总体径向跳动0.06mm以内，相邻齿跳动0.03mm以内；加工质量要求为：粗糙度Rz小于15um，波纹度小于12.5um，局部平面度小于25um/25mm×25mm，整体平面度小于75um；振动频谱分析如图6所示：





      从图6中看出，频谱高点都是等间距，为谐波，基础频率为126.563Hz，为8片修光刃的基础频率：15.8Hz×8=126.4Hz≈126.563Hz通过进一步观察刀片磨损情况来看，修光刃磨损情况较为严重，为冲击导致掉渣，而切削刃为带状摩擦。根据图7中刀具磨损状况，可以看出修光刃的径向跳动整体高于切削刃径向跳动，参与切削过程，导致磨损严重，故我们在调刀的时候记录了径跳数据：

图7 刀具磨损情况图

      刀盘2的修光刃径向跳动明显低于到刀盘1的跳动，且刀盘2的加工件数明显高于刀盘1，可以证明刀盘和刀片之间的配合尺寸十分关键，进一步对刀盘2修光刃径向跳动值低于切削刃的加工进行频谱分析：


      此部分可以看出，当修光刃的径向跳动低于切削刃时，修光刃的磨损降低，且生产效率明显提高，可见，由于刀盘与刀片间配合不好造成修光刃的状态差是影响生产率低的主要原因。


      5、结论


      截至目前为止，针对本案例，我们采用故障树分析方法对盘铣刀加工发动机缸体顶面的生产效率低进行了系统的分析和验证，得出以下结论：


      1.分析出MAG加工机床的主轴与夹具（夹紧工件下）系统的固有属性；


      2.伺服系统运行平稳，对生产效率没有影响；


      3.刀具的修光刃径向跳动对加工质量，刀具寿命和生产效率有着显著影响；


在盘铣刀加工过程中，虽然机床及刀具厂家对刀具的端面跳动及径向跳动有整体要求，但是控制修光刃相对于切削刃的径向跳动使得整体加工自激力大幅减小，振动减弱，刀具寿命明显提高。