淺析薄壁件高速切削的穩(wěn)定性
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作者：張毅
薄壁結(jié)構(gòu)件剛度較低、工藝性差，并且加工精度要求也很高。在高速加工中，刀具與工件之間的相對振動破壞了零件的加工質(zhì)量和表面精度，降低了加工系統(tǒng)的壽命和切削效率，還會產(chǎn)生強烈的噪聲，嚴重時使切削加工無法進行，極大地延緩了機械產(chǎn)品的制造周期。因此，切削顫振是影響加工精度和切削效率的關(guān)鍵問題之一。
國內(nèi)外對顫振做了大量的研究，Altintas和Budak提出頻域解析算法來獲得銑削加工穩(wěn)定性葉瓣圖，并將其應(yīng)用于薄壁零件（以下簡稱為薄壁件）的加工。Gregoire Peigne，Henri Paris等使用剛性刀具加工柔性工件的方法，基于單自由度銑削顫振模型，進行了小徑向切深下銑削動力學特性的數(shù)值仿真和實驗研究，指出由于再生顫振引起的切削振動對工件加工表面有很大的影響。湯愛君建立了薄壁件銑削穩(wěn)定性動力學模型，研究了銑削穩(wěn)定性的影響因素和參數(shù)的優(yōu)化問題。宋清華建立了一種完善的高速銑削穩(wěn)定性動態(tài)優(yōu)化方法，并提出一種獲得最優(yōu)切削參數(shù)的分析方法。汪通悅、何寧等對薄壁件切削穩(wěn)定性的切削參數(shù)進行試驗，對進一步優(yōu)選切削參數(shù)提供了很好的指導。丁燁建立了動態(tài)切削厚度再生效應(yīng)的銑削動力學模型，并以全離散法探討了其穩(wěn)定性，通過實驗驗證了全離散法的準確性和該模型的有效性。梁巖里等對框體類進行了動態(tài)分析，提出了一種在顫振域內(nèi)進行切削參數(shù)優(yōu)化來控制顫振的方法，并通過切削實驗驗證，較好地解決了加工顫振問題。劉維偉等使用全離散時域法對切削階段進行研究，根據(jù)薄壁零件加工過程中固有頻率的變化，提出了共振區(qū)的概念。
1 薄壁件切削穩(wěn)定性理論模型
1.1 建立動態(tài)銑削模型
研究薄壁件的銑削穩(wěn)定性，首先要對薄壁件銑削系統(tǒng)進行動力學分析，然后建立切削顫振模型和結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型，從而進行切削顫振系統(tǒng)的穩(wěn)定性預測。為使分析過程簡化，必須對實際切削系統(tǒng)進行離散和抽象，以方便進行理論描述和數(shù)學表示：
(1)工件是薄的、各向同性的、懸臂型薄壁零件，并且在加工區(qū)域內(nèi)，工件可以看作是一個柔性體，刀具的剛性遠大于工件的剛性，工件只沿z方向產(chǎn)生動態(tài)位移。
(2)忽略由于加工變形和材料去除而導致的工件加工系統(tǒng)動態(tài)特性的變化。
根據(jù)假設(shè)，薄壁件在銑削過程中由于再生顫振而得到的動力學模型可簡化為如圖1所示的模型。
1.2 一維銑削系統(tǒng)穩(wěn)定性求解
根據(jù)動力學簡化模型，使用頻域法建立單自由度振動系統(tǒng)的運動微分方程為：
其中：x(t)為在x方向上的振動位移；F(t)為動態(tài)切削力；m為振動系統(tǒng)的等效質(zhì)量；c為振動系統(tǒng)的等效阻尼；k為振動系統(tǒng)的等效剛度。
根據(jù)已建立的銑削動力學顫振模型，選取2齒的立銑刀，經(jīng)試驗測定銑削系統(tǒng)的固有頻率為679 radls(108. 12 Hz)，阻尼比為0.038，模態(tài)剛度為164 N/mm。取銑削力系數(shù)K，=1 240 MPa、K，-0. 309，取銑刀半徑aD=6 mm，徑向切深n，-0.1 mm，薄壁工件尺寸為100 mm×50 mm×2 mm，試用材料為2AL2。通過MATLAB模擬仿真，繪制單自由度頻域穩(wěn)定性葉瓣圖（見圖2），從而可以進行切削參數(shù)的理論預測。
2基于顫振控制的切削參數(shù)研究
本文以8組數(shù)據(jù)作為研究對象，通過對葉瓣圖進行分析，從中選擇合理的加工參數(shù)對實際加工進行指導。具體切削參數(shù)分布如圖2所示。
在薄壁件的加工過程中，發(fā)生切削顫振的種類和原因很多，既與切削過程有關(guān)，也與切削系統(tǒng)、工件的剛度和材料等有關(guān)。到目前為止，大多數(shù)有關(guān)切削顫振的研究都是以切削振動的預測和控制為目的。針對切削顫振，按照控制方式的不同，主要分為主動控制和被動控制。主動控制主要為調(diào)整切削參數(shù)的控制方法。被動控制主要靠進行結(jié)構(gòu)改進與優(yōu)化設(shè)計和采用吸振器與附加輔助裝置的控制方法。本文僅從切削參數(shù)的角度出發(fā)，將所研究的8組數(shù)據(jù)應(yīng)用于顫振穩(wěn)定性圖。從圖2中可以看出，切削參數(shù)的選擇對顫振控制尤為重要，通過合理選擇切削參數(shù)可以減小切削振動。
切削顫振直接影響零件的產(chǎn)品質(zhì)量，薄壁件加工時由于自身的弱剛性，銑削過程的間歇切削特性是產(chǎn)生切削振動的主要因素。因此，在葉瓣穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，應(yīng)該選擇遠離薄壁件固有頻率的一組參數(shù)，根據(jù)銑削刀齒激振頻率公式in=n×N/60（n為轉(zhuǎn)速，N為銑刀齒數(shù)）對所選的參數(shù)進行分析，表1為8組刀齒參數(shù)的激振頻率。同時，根據(jù)主軸旋轉(zhuǎn)激振頻率公式i軸一n／60對所選參數(shù)進行分析，表2為8組主軸參數(shù)的激振頻率。
由分析可得刀齒第8組數(shù)據(jù)的激振力頻率(in -533. 33 Hz)和主軸激振頻率（i軸=266. 67 Hz）遠大于薄壁件(108. 12 Hz)的固有頻率。因此，使用該組參數(shù)進行加工時理論上不會引起切削顫振，滿足切削穩(wěn)定性條件。
3結(jié)論
薄壁件加工過程中切削顫振影響很大，在傳統(tǒng)加工中，只能根據(jù)加工經(jīng)驗選擇切削參數(shù)，加工效率很低。本文基于薄壁件顫振頻域求解方法，研究了切削參數(shù)對切削穩(wěn)定性的影響。通過使刀具和主軸的激振頻率遠離薄壁件固有頻率的方法，合理選擇切削參數(shù)，以避免切削顫振，從而為葉輪和框體類薄壁件銑削振顫的控制和工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。本文僅以單模態(tài)顫振原理進行分析，未考慮多模態(tài)及加工過程對固有頻率的影響，這可以作為后續(xù)的研究方向。
4摘要：顫振現(xiàn)象是薄壁零件加工過程中的普遍問題，以壁板零件為模型，通過對加工過程中顫振的原理進行分析，建立薄壁件一維銑削穩(wěn)定性理論模型，繪制了頻域顫振穩(wěn)定性葉瓣圖�；谌~瓣圖，提出一種通過優(yōu)選切削參數(shù)來控制顫振的方法，最終獲取了避免加工顫振的理論加工參數(shù)，對減小或消除顫振提供了有益的指導。
