不同刀柄对AZ31B镁合金摆线铣削振动特性影响的多域信号分析

《Materials》：Analysis of Vibrations During Trochoidal Milling of AZ31 Magnesium Alloy Using Different Tool Holders

　　

本文介绍了在摆线刀具路径下，针对不同刀柄类型在AZ31B合金上进行的振动测量分析。研究的主要目的是确定所选工艺参数（切削速度v_c和每齿进给量f_z）以及刀柄类型（ER、热装式（shrink-fit）和液压式（hydraulic））对所选加工稳定性指标的影响。分析包括峰峰值（Peak-to-Peak，P-P）、均方根（Root Mean Square，RMS）、复合多尺度熵（Composite Multiscale Entropy，CMSE）、快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）和递归图（recurrence plots，RP）分析。结果表明，振动特性取决于加工参数和刀柄类型。增加每齿进给量通常会增加振动幅值，而CMSE提供了关于信号不规则性以及周期性和不规则分量相对贡献的补充信息。频域和递归分析揭示了所研究刀柄系统动态响应的差异。液压刀柄通常表现出较低的振动幅值和较不明显的谐波分量，这与其有利的阻尼特性一致。考虑测得的振动幅值和补充信号特征，在所研究条件下推荐400和800 m/min的切削速度。结果还表明，结合基于幅值和非线性信号分析对于更全面评估加工动力学具有价值。

研究背景方面，现代机床主轴接口与刀柄形式直接影响机床—刀柄—工件—刀具（MHWT）系统动态稳定性。7/24锥度刀柄虽对称、易制造且成本低，但高速下受离心力作用可能产生轴向刀具位移、锥面接触降低及驱动键松动等问题；HSK（Hollow Shank Kegel，1/10锥度）具有前接触面、较高刚度、高速适应性和较高振动稳定性。ER弹簧夹头、热装式（shrink-fit）和液压式（hydraulic）刀柄在夹持精度、阻尼与动态响应方面存在差异。自激振动（chatter）与稳定性叶瓣图（SLD）相关，但SLD存在不能完全计入主轴刚度、温度及工件因素等限制。已有振动研究多集中于铝合金、钛合金、镍合金和钢，针对镁合金尤其是AZ31B摆线铣削不同刀柄的振动研究不足；既有研究多采用直线路径且常仅关注振动幅值，缺乏频域、非线性复杂度与递归特征的综合分析。因此，研究人员开展该研究以评估刀柄类型和工艺参数对AZ31B摆线铣削加工稳定性的影响。

研究人员在AZ31B镁合金上采用HSK-A63三类刀柄（ER、shrink-fit、hydraulic）和两刃TiAlN涂层硬质合金立铣刀（直径16 mm），以Siemens NX生成的摆线路径加工，摆线步距15%（2.4 mm）。试验变化切削速度v_c=400–1000 m/min和每齿进给量f_z=0.05–0.30 mm/tooth，轴向切深a_p=6 mm、槽宽b=25 mm保持恒定。振动由安装于工件前表面中心的PCB 352B10加速度计沿Y轴（进给方向）采集，采样频率10 kHz。分析采用P-P、RMS、CMSE、FFT和RP，计算在Matlab R2019b中完成。该研究无样本队列来源。结论表明振动响应受工艺参数与刀柄类型共同影响，液压刀柄整体具有较低幅值和较弱谐波，推荐v_c=400和800 m/min，f_z低值有利于减小幅值；研究意义在于为镁合金摆线铣削刀柄选择与参数优化提供依据，并显示多指标联合评估加工动力学的价值。

研究结果如下。3.1 峰峰值（P-P）与均方根（RMS）：通过不同v_c和f_z下的振动加速度测量发现，P-P随v_c呈明显非单调变化，400–600 m/min阶段显著升高，600 m/min出现局部最大，800 m/min较600 m/min降低23.0–30.5%，1000 m/min又升高52.7–83.0%并达全系列最高；RMS趋势基本一致。随f_z增加，P-P增加15.9–45.1%，RMS增加39.6–75.6%。液压刀柄在最高切削速度下P-P较ER低13.1%、较shrink-fit低12.8%，在全进给范围内P-P低于shrink-fit约12.3–19.9%；方差分析（ANOVA）确认v_c、f_z、刀柄类型及其交互作用具有显著影响。3.2 复合多尺度熵（CMSE）：通过CMSE评估信号不规则性发现，ER刀柄在尺度因子τ=1时CMSE最高（1.52–1.79）并随τ增大而下降，shrink-fit与hydraulic呈驼峰形，τ=1较低（0.29–0.57），在τ=10–16出现局部最大；v_c=600 m/min时CMSE最低且P-P/RMS局部最大，表明振动更规则、周期分量占优；ER的CMSE约为其他刀柄的3–4倍，与其多接触面微位移有关；随f_z增加，CMSE总体下降，表明确定性周期力激励贡献增大。3.3 快速傅里叶变换（FFT）：通过频域分析识别谐波发现，v_c=400 m/min时ER谐波最多，5–6 kHz中频出现两个明显峰；600和800 m/min时ER中频谐波受抑制，高低频端高幅谐波增多；1000 m/min时shrink-fit出现大量高幅谐波；液压刀柄整体谐波较少且幅值较低，中频优势明显。随f_z增至0.15 mm/tooth，各刀柄幅值下降、谐波数增多但幅值较低；超过0.2 mm/tooth后谐波数与幅值增加，shrink-fit最易发生振动发展。3.4 递归图（RP）分析：通过递归图识别振动周期性发现，各图均出现平行于主对角线的长对角线，表明以周期振动为主；v_c增大使力信号周期缩短、对角线间距减小，600 m/min时线条更连续，1000 m/min时ER出现额外波动；f_z≤0.15 mm/tooth时呈非平稳特征，0.2 mm/tooth时周期性明显，0.25 mm/tooth时尤其shrink-fit出现附加波动，随后再次稳定；液压刀柄整体表现更有利。

讨论部分总结认为，幅值指标对v_c呈非单调响应，600 m/min的局部幅值最大与CMSE最低共同提示更规则的周期主导响应及可能的频率相关动态放大，但未独立表征模态，不能确认共振。shrink-fit与hydraulic之间存在振动幅值与信号复杂度的权衡：液压刀柄幅值较低但CMSE略高，CMSE反映时间不规则性而非幅值，不能据此判定振动更严重；FFT中液压刀柄中频谐波较少支持其阻尼优势。实践中建议采用v_c=400和800 m/min，慎用600 m/min，避免1000 m/min；f_z=0.05–0.15 mm/tooth有利于降低幅值，应避免0.30 mm/tooth。联合P-P、RMS、CMSE、FFT和RP多指标观察比单一幅值阈值更有利于识别不利动态状态。研究结论翻译如下：振动加速度信号幅值（P-P、RMS）随切削速度呈明显非单调变化，在v_c=400 m/min时最低。FFT分析显示，在最低切削速度下，shrink-fit和hydraulic刀柄的谐波分量明显更少，尤其在中频范围。v_c=600 m/min的局部幅值最大及CMSE最低表明更规则、周期主导的振动响应，并提示可能存在频率相关动态放大。从最小化振动角度看，有利切削速度为v_c=400和800 m/min，而v_c=600 m/min（幅值升高伴最低CMSE）和1000 m/min（全系列最高幅值）应避免。每齿进给量增加导致振动幅值系统增加（P-P增加16–45%，RMS增加40–76%），同时CMSE在几乎整个进给范围呈下降趋势；两指标相反变化表明，随进给增加，确定性周期力激励贡献增加，而刀柄夹持系统产生的随机噪声相对贡献降低。就最小化振动而言，决定准则是幅值最低，f_z=0.05–0.15 mm/tooth最有利；伴随的CMSE下降不构成额外不利指示，唯一例外为ER刀柄。刀柄比较显示振动能量与信号复杂度之间的权衡：hydraulic刀柄幅值低于shrink-fit刀柄（切削速度系列低3–15%，进给系列低14–25%），但CMSE略高（4–21%）；由于幅值实际意义更大，hydraulic刀柄在工艺动力学上为首选。ER刀柄因结构更复杂，其信号CMSE高数倍。RP分析表明，测试刀柄铣削主要呈周期振动，频率随工艺参数增加而移动；使用shrink-fit刀柄时出现额外波动，提示由周期振动向较不可预测类型转变，可能导致有害自激振动。FFT和RP分析表明，使用液压刀柄尤其在高加工参数下具有合理性，其结构提供显著振动阻尼，有利于增强铣削稳定性。