01 引言

　　齒輪是汽車(chē)、工程機(jī)械等傳動(dòng)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的傳動(dòng)部件，齒輪以其恒功率輸出、承載能力大、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中。滾齒加工因加工效率高、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前齒輪加工應(yīng)用最廣泛的加工技術(shù)之一。目前，我國(guó)大多數(shù)齒輪加工企業(yè)都是靠工藝人員的經(jīng)驗(yàn)或參考切削加工手冊(cè)來(lái)選擇工藝參數(shù)，這樣選擇可能考慮不到加工過(guò)程中的振動(dòng)等因素影響，加工過(guò)程中振動(dòng)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致加工精度降低，刀具壽命降低，機(jī)床壽命降低。合理科學(xué)的工藝參數(shù)對(duì)于滾齒加工有著重要的意義，本文通過(guò)采集滾齒加工過(guò)程中不同工藝參數(shù)下的振動(dòng)，然后基于振動(dòng)信號(hào)優(yōu)化出合理的工藝參數(shù)。

　　02  監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建

　　本文搭建了一套監(jiān)測(cè)滾齒加工過(guò)程中振動(dòng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由滾齒機(jī)、加速度傳感器、采集卡、交換機(jī)和計(jì)算機(jī)組成，下面對(duì)重要硬件及采集方案進(jìn)行具體介紹。

　　滾齒機(jī)介紹：滾齒加工采用秦川機(jī)床 YK3126 滾齒機(jī)，該機(jī)床具有七軸四聯(lián)動(dòng)功能，共有 7 個(gè) CNC 軸：滾刀進(jìn)刀軸 X、刀架竄刀軸 Y、滾刀走刀軸 Z、刀架旋轉(zhuǎn)軸 A、刀具主軸 S(B)、工件旋轉(zhuǎn)軸 C、機(jī)械手回轉(zhuǎn)軸 C2。該機(jī)床滾齒過(guò)程由數(shù)控系統(tǒng)控制，可以完成齒輪和蝸輪的滾削，并能實(shí)現(xiàn)多種齒型切削，如：直齒切削、斜齒切削、鼓形齒切削、錐形齒切削、徑向滾削蝸輪、切向滾削蝸輪等。機(jī)床可實(shí)現(xiàn)順、逆滾切加工，可以滾切不同模數(shù)和壓力角的齒輪。

　　振動(dòng)傳感器選型及安裝：由于機(jī)床能安裝振動(dòng)傳感器的位置較小，因此選擇三向 Dytran3143D1 加速度傳感器，其量程為±50 g，輸出靈敏度為 100 mV/g，頻響 10 kHz。傳感器是絕緣型的，直接安裝即可。

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)：振動(dòng)數(shù)據(jù)采集使用華中科技大學(xué)襄陽(yáng)工學(xué)院的振動(dòng)采集卡進(jìn)行采集，振動(dòng)傳感器通過(guò)振動(dòng)采集模塊接入交換機(jī)，然后筆記本與交換機(jī)相連，運(yùn)行采集軟件即可采集，采集方案如圖 1 所示。

　　圖 1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)

　　03  切削實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) ：本次實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的工藝參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速，因此需要研究主軸轉(zhuǎn)速和振動(dòng)的關(guān)系。本次實(shí)驗(yàn)滾齒加工分為兩刀切，第一刀去量，第二刀提高加工精度，具體工藝參數(shù)如表 1 所示，實(shí)驗(yàn)中保持軸向進(jìn)給速度和徑向吃刀量不變，刀具轉(zhuǎn)速逐漸增加。

　　表 1 工藝參數(shù)

　　基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化工藝參數(shù)： 首先對(duì) 1 號(hào)零件 X、Y、Z 三個(gè)方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體分析，如圖 2 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，三個(gè)方向的整體趨勢(shì)是一致的，X 和 Z 方向的振動(dòng)比 Y 方向大，說(shuō)明 X 和 Z 方向?yàn)檎駝?dòng)敏感方向，這是因?yàn)?X 和 Z 方向?yàn)閺较颍鞘芰Υ蟮姆较?，Y 方向?yàn)檩S向，是受力較小的方向。下面取 X 方向，并結(jié)合加工過(guò)程，劃分出加工階段，如圖 3 所示。

　　圖 2 1 號(hào)零件 3 個(gè)方向的振動(dòng)

　　圖 3 1 號(hào)零件 X 方向的振動(dòng)

　　為保證采集加工過(guò)程的完整性，在程序未啟動(dòng)前，啟動(dòng)了采集軟件，從 2 可以看到，剛開(kāi)始振動(dòng)較小，并且非常穩(wěn)定，因此判斷第 1 階段為程序未啟動(dòng)。第 2 階段開(kāi)始時(shí)，振動(dòng)突然升高，判斷此時(shí)程序啟動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，但是還沒(méi)有接觸到工件。第 3 階段開(kāi)始時(shí)，振動(dòng)在第 2 階段的基礎(chǔ)上突然增加，由于刀具與工件接觸的瞬間會(huì)有一個(gè)小的撞擊，因此判斷此時(shí)刀具與工件剛好接觸。第 3 階段的后半段，隨著吃刀量逐漸減小，振動(dòng)也在減小，在脫離的一瞬間， 振動(dòng)有一個(gè)突然減小。第 4 階段振動(dòng)的大小與第 2 階段基本相同，判斷為兩刀切削中間的間隔時(shí)間。第 5 階段的振動(dòng)趨勢(shì)與第 3 階段基本相同，判斷為第二刀切削過(guò)程。第 6 階段的振動(dòng)大小與第 2 階段基本相同，判斷為滾刀與工件脫離接觸，退刀的過(guò)程。

　　1、2、3、4、5 號(hào)零件的第一刀轉(zhuǎn)速由 440 r/min 逐漸增加到了 800 r/min，第二刀轉(zhuǎn)速由 570 r/min 逐漸增加到了 850 r/min，第一刀的軸向進(jìn)給速度都為 42.18 mm/min，第二刀的軸向進(jìn)給速度都為 50.62 mm/min，第一刀的徑向吃刀量都為 6.45 mm，第二刀的徑向吃刀量都為 0.3 mm。由于 X 方向?yàn)檎駝?dòng)的敏感方向，因此將 1、2、3、4、5 號(hào)零件的 X 方向的整體時(shí)域圖進(jìn)行對(duì)比分析以分析出最優(yōu)轉(zhuǎn)速，如圖 4 所示。

　　圖 4 主軸轉(zhuǎn)速變化對(duì) X 方向振動(dòng)的影響

　　通過(guò)觀察圖 4 可以發(fā)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)速變化時(shí)，X 方向的振動(dòng)趨勢(shì)是一致的。依據(jù)前面劃分加工階段的規(guī)則，只比較第一刀加工過(guò)程的振動(dòng)，除 3 號(hào)零件外，加工過(guò)程中的振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速增加是逐漸增大的，3 號(hào)零件的振動(dòng)最小。均方根值能夠很好的反映加工過(guò)程的整體振動(dòng)的情況，因此從圖 5 中也證明了上述觀點(diǎn)，也就是主軸轉(zhuǎn)速為 600 r/min 的振動(dòng)最小，說(shuō)明 600 r/min 附近的轉(zhuǎn)速較好。只比較第二刀加工過(guò)程的振動(dòng)，1 號(hào)零件和 2 號(hào)零件的振動(dòng)大小差不多，都是比較小，3 號(hào)零件的振動(dòng)最大，4 號(hào)和 5 號(hào)零件的振動(dòng)大小差不多，均比 1 號(hào)和 2 號(hào)大。1 號(hào)的主軸轉(zhuǎn)速為 570 r/min，2 號(hào)零件的主軸轉(zhuǎn)速為 580 r/min，再次說(shuō)明了 600 r/min 附近的轉(zhuǎn)速較好。

　　圖 5 第一刀切削過(guò)程中 X 方向振動(dòng)的均方根值隨主軸轉(zhuǎn)速的變化

　　04  結(jié)論

　　通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在第一刀切削過(guò)程中，振動(dòng)波動(dòng)較大，主軸轉(zhuǎn)速小于 600 r/min 的情況下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，平穩(wěn)階段的振動(dòng)基本不變。主軸轉(zhuǎn)速大于 600 r/min 的情況下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，振動(dòng)有較為明顯的增大，600 r/min 的振動(dòng)最小。在第二刀切削過(guò)程中，振動(dòng)較為平穩(wěn)，在轉(zhuǎn)速小于 680 r/min 時(shí)，振動(dòng)較小，在轉(zhuǎn)速大于 680 r/min 時(shí)，振動(dòng)有明顯的增大。綜上所述，第一刀主軸轉(zhuǎn)速在 600 r/min 附近較優(yōu)，第二刀主軸轉(zhuǎn)速在 650 r/min 附近較優(yōu)。

　　05  結(jié)語(yǔ)

　　相比依靠工藝人員的經(jīng)驗(yàn)或參考切削加工手冊(cè)選擇的工藝參數(shù)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的工藝參數(shù)能夠在保證效率的前提下，提高加工精度，減少刀具磨損，延長(zhǎng)機(jī)床壽命，有利于企業(yè)降低加工成本。