車削出現(xiàn)“暗影”是怎么回事

一些對接觸面有著較高電氣性能要求的工件，如插針，表面高光車削后需要進(jìn)行鍍2μm銅底或鋁底，然后鍍鎳底6～8μm，最后鍍銀至少5μm的電鍍處理。電鍍后，工件表面可看到寬度不規(guī)則明暗相間的條紋，客戶稱之為“暗影”現(xiàn)象。由于暗影對加工精度沒有造成直接的影響，所以沒有引起足夠重視，現(xiàn)在為了提高高光車削的加工效果，滿足客戶工件電鍍處理后的外觀和電氣性能需求，該問題亟待解決。那么，暗影究竟是什么原因造成的呢？本文從切削實驗、切削力測試、主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)誤差測試三個方面來分析。暗影的描述車削刀紋是車削后的加工表面上余留的加工痕跡組成的宏觀形貌。在高光車削中，工件材質(zhì)主要為紫銅和鋁，常用刀尖圓角半徑為0.4mm的金剛石刀片。車削后工件外圓表面粗糙度值均可達(dá)到Ra=0.8μm以內(nèi)（見圖1），裸眼觀察外觀光滑明亮。工件是否存在暗影現(xiàn)象無法通用直接觀察或用粗糙度值衡量，用高倍放大鏡觀察外表面，能看到條狀紋理，類似粗車刀紋，無暗影工件明暗條紋寬度基本均勻一致（見圖2），有暗影工件可觀察到寬度不規(guī)則的明暗條紋，暗影處條紋較寬（見圖3）。使用三維輪廓儀檢測工件外表面可以發(fā)現(xiàn)暗影在微觀上是由于車刀紋的凸峰和凹谷寬窄不均及波峰波谷值浮動較大，主要表現(xiàn)在凹谷比較寬而產(chǎn)生暗影現(xiàn)象（見圖4、圖5）。暗影產(chǎn)生原因分析（1）切削實驗在同一工件的不同位置，使用相同的車削參數(shù)：轉(zhuǎn)速3500r/min，切削深度0.1mm，進(jìn)給量0.06mm/r進(jìn)行加工，大部分暗影都具有可重復(fù)性（見圖6），說明暗影與X軸、Z軸運動位置無關(guān)。轉(zhuǎn)速和切屑深度不變，只改變進(jìn)給量進(jìn)行車削，把暗影圖片按進(jìn)給量比例關(guān)系縮放，大部分暗影均可重合（見圖7），說明暗影發(fā)生的位置與進(jìn)給量關(guān)聯(lián)性不大，可能與轉(zhuǎn)速有關(guān)。只改變切削深度，其它車削參數(shù)不變，分別選取ap=0.06mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm進(jìn)行車削，暗影只有條紋顏色深淺的區(qū)別，大部分暗影均可重合，說明暗影發(fā)生與切屑深度無關(guān)。（2）切削力測試使用B&K公司7700Pulse數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對出現(xiàn)暗影機(jī)床的切削力進(jìn)行分析診斷。按照車削參數(shù)：轉(zhuǎn)速240～4000r/min區(qū)間，間隔100r/min，切削深度0.1mm，進(jìn)給量分別為0.05mm/r、0.1mm/r、0.15mm/r進(jìn)行測試。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，在其他參數(shù)不變時，工件去除率逐漸增大，載荷也應(yīng)該增大，但實測切削力除了進(jìn)給量為0.05mm/r時小幅增大以外，其余都是在轉(zhuǎn)速升高時略有減小（見圖8），說明在高轉(zhuǎn)速車削時存在讓刀、跳動，導(dǎo)致切削量不足，從而切削力沒有按照正常趨勢發(fā)展。從每一個切削參數(shù)對應(yīng)的切削力信號也能發(fā)現(xiàn)，切削信號在穩(wěn)定切削力基礎(chǔ)上有類似正弦信號疊加，說明存在動態(tài)車削力，并且從信號波形可發(fā)現(xiàn)疊加信號不單純?yōu)橐粋€（見圖9）。切削力的頻譜包含眾多頻率，主要是轉(zhuǎn)速的倍頻，說明引起信號波動的原因跟轉(zhuǎn)速有關(guān)，可斷定為主軸系統(tǒng)回轉(zhuǎn)缺陷引起的。因此，暗影問題可認(rèn)為是主軸系統(tǒng)回轉(zhuǎn)故障。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1200r/min時選取不同進(jìn)給量的切削力信號均表現(xiàn)的較為穩(wěn)定，可見即便是加工質(zhì)量相對良好的切削狀態(tài)下，切削信號也包含與轉(zhuǎn)速有關(guān)的頻率成分（見圖10），從而也可以驗證進(jìn)給量和切削深度兩個參數(shù)不是產(chǎn)生暗影現(xiàn)象的原因。轉(zhuǎn)速1700～2300r/min區(qū)間振動幾乎可以忽略不計，能檢測到轉(zhuǎn)頻，但不明顯，對切削力信號的干擾也不顯著（見圖11）。圖12和圖13為較高轉(zhuǎn)速區(qū)間的信號，可見隨著轉(zhuǎn)速提高，切削力頻譜幅值顯著增大，說明暗影不是因為高轉(zhuǎn)速精加工時才會出現(xiàn)，而是與主軸系統(tǒng)本身有關(guān)，始終存在，只是在高轉(zhuǎn)速切削時能量較大，更能激發(fā)出明顯的暗影現(xiàn)象。（3）主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)誤差測試由上述實驗和分析可知，暗影現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由于主軸的動態(tài)回轉(zhuǎn)缺陷造成的，因此設(shè)計如圖14所示的實驗對主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行測試，找出主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)誤差與暗影的關(guān)系。由于車床主軸的動態(tài)特性需在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行測量，所以適宜采用高精度非接觸式的測量儀器，故選用激光位移傳感器進(jìn)行測量。通過測量結(jié)果可發(fā)現(xiàn)位移波峰值變化頻率與暗影出現(xiàn)頻率較為一致，激光位移傳感器的信號特征和暗影的產(chǎn)生及程度成正相關(guān)。當(dāng)主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)誤差值為1～2μm時，無暗影現(xiàn)象產(chǎn)生（見圖15）。結(jié)語綜上所述，主軸的動態(tài)回轉(zhuǎn)誤差是產(chǎn)生暗影現(xiàn)象的主要原因。暗影是由刀尖和工件在工件徑向方向