方澤華

（廣州市機(jī)電高級(jí)技工學(xué)校，廣東 廣州 510000）

現(xiàn)階段的金屬切削過程中，最普遍的加工工藝是銑削。在銑削過程中，常用立銑刀，而在薄壁零件加工過程中，立銑刀可沿刀刃切削出不同的三維切削效果。銑削加工過程的穩(wěn)定性與整個(gè)薄壁結(jié)構(gòu)組件銑削加工過程的質(zhì)量息息相關(guān)，但在薄壁結(jié)構(gòu)組件銑削加工工藝流程主要受兩個(gè)方面的因素影響，即銑削過程刀具、工件的作用力和工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征。因此，對(duì)這兩方面的因素進(jìn)行試驗(yàn)和分析，對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工的穩(wěn)定性提升有重大意義。

1 銑削加工顫振理論分析及試驗(yàn)

1.1 建立動(dòng)力學(xué)模型

為了提升該動(dòng)力學(xué)模型的真實(shí)性，可模擬薄壁加工的實(shí)際情況，然后對(duì)整個(gè)銑削加工系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)簡化，從而對(duì)薄壁多框結(jié)構(gòu)件在銑削加工過程中發(fā)生的顫振、強(qiáng)度對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件穩(wěn)定性的影響程度進(jìn)行詳細(xì)分析。而其主要受工件自身的參數(shù)和銑削加工程度的影響，同時(shí)，由于銑削加工過程較為復(fù)雜，因此，在實(shí)驗(yàn)過程中動(dòng)態(tài)模型建立的基礎(chǔ)上，可作出以下假設(shè)：在銑刀進(jìn)給的X方向以刀具中心軸線為依據(jù)，然后以相應(yīng)的角度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)頻率逐漸提升，記錄增長幅度，并計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移；經(jīng)過多次旋轉(zhuǎn)以后，旋轉(zhuǎn)角度為B，可設(shè)置旋轉(zhuǎn)次數(shù)為C，多次重復(fù)試驗(yàn)直至得出加工工件的各處移動(dòng)位移，而薄壁結(jié)構(gòu)件的顫振會(huì)逐步增加移動(dòng)位移數(shù)據(jù)；統(tǒng)一計(jì)算受力和位移數(shù)值，將薄壁梁作為研究對(duì)象。由于薄壁梁橫向振動(dòng)前幾階振幅大于梁縱向振幅，而固有頻率則遠(yuǎn)小于縱向固有頻率，因此，可將薄壁梁橫向的固有頻率忽略不計(jì)。

薄壁梁橫向振動(dòng)微分方程為：

式（1）中：x為工件位置的橫向坐標(biāo)；t為橫向切削力。

薄壁梁橫向振動(dòng)微分示意圖如圖1所示。

圖1 薄壁梁橫向振動(dòng)微分示意圖

依據(jù)動(dòng)態(tài)切削模型可得出切削力與切削厚度成正比。切削力公式為：

式（2）中：n為螺旋角。

為了進(jìn)一步確定螺旋圓柱立銑刀的動(dòng)態(tài)切削力，可將螺旋圓柱立銑刀分解為成長度為△z的微元段；而垂直于平面的摩擦力=切削與刀齒摩擦系數(shù)×（切削刀刃方向剖面切向力×cos刀齒背面角-切削刀刃法向剖面徑向力×sin刀齒背面角），其中，切削刀刃法向剖面徑向力為法向切削力系數(shù)/徑向切削力系數(shù)×切削刃法向剖面切向力。同理，在薄壁銑削加工過程中可將工件視為剛體，假定動(dòng)態(tài)固有頻率不變、薄壁固梁兩端的剛度無窮大，切入角和切出角不變，轉(zhuǎn)速均為6 000 r/min，可得出銑削加工參數(shù)中，軸向切深可隨著每齒進(jìn)給量的增加而變化，比如每齒進(jìn)給量為0.102 mm，而軸向切深會(huì)在0.10～0.26 mm。在非穩(wěn)態(tài)的薄壁梁銑削模擬情況下，假定阻尼比均為0.04，當(dāng)固有頻率微為581 Hz時(shí)，等效剛度在 1.66×106～7.56×109，等效質(zhì)量為 0.13～566.8；而當(dāng)固有頻率為 1 603 Hz時(shí)，等效剛度為 1.45×107～4.51×1020，等效質(zhì)量為 0.144 5～4.35×1012.

1.2 結(jié)論分析

通過構(gòu)建動(dòng)態(tài)模型以及模擬可得出，薄壁切削單各切削周期系統(tǒng)較為穩(wěn)定，而通過對(duì)薄壁銑削等效剛度、質(zhì)量的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)可得出當(dāng)工件在軸向切深為0.22 mm時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，而軸向切深為0.25 mm時(shí)系統(tǒng)處于非穩(wěn)定的周期運(yùn)動(dòng)，因此在薄壁結(jié)構(gòu)件的銑削加工過程中，薄壁梁銑削三維穩(wěn)定性主要受徑向切深的剛度影響，而隨著固支梁剛度的加大，系統(tǒng)的非線性特征會(huì)減弱，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 銑削加工穩(wěn)定性技術(shù)探究

2.1 薄壁側(cè)壁銑削加工優(yōu)化

現(xiàn)階段，薄壁結(jié)構(gòu)件的銑削加工易出現(xiàn)非穩(wěn)定性的環(huán)節(jié)主要有薄壁結(jié)構(gòu)的腹板加工、圓角加工及薄壁結(jié)構(gòu)的側(cè)壁加工。在薄壁結(jié)構(gòu)側(cè)壁加工過程中，保持銑削過程的穩(wěn)定性非常重要，可通過保持銑削過程中整體零件的剛性提升整體薄壁側(cè)壁的穩(wěn)定性。在薄壁結(jié)構(gòu)件的銑削加工過程中，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定合理的銑削范圍，可選擇相應(yīng)的銑刀，然后采用小軸向切深分層、大徑向切深的加工模式。對(duì)于較深的型腔，可適當(dāng)增加刀具的徑向，然后在銑削加工過程中根據(jù)實(shí)際需要，逐步調(diào)整刀具的懸身長度，降低薄壁側(cè)壁顫振。同時(shí)，為了保持薄壁側(cè)壁銑削加工的穩(wěn)定性，也可以采用平行雙主軸加工方案。一般為了增加薄壁零件加工的精確性，可同時(shí)應(yīng)用兩把立銑刀，需要注意的是，立銑刀的懸伸長度、回轉(zhuǎn)角度需要一致，但刀刃方向相反，通過平行雙主軸加工方案的實(shí)施可有效解決薄壁加工過程中的變形問題，且可以增加薄壁結(jié)構(gòu)加工的精確度，但由于平行雙主軸加工過程中對(duì)機(jī)床的雙主軸的距離需要嚴(yán)格規(guī)定，加之機(jī)床雙主軸間距控制作業(yè)工序較多，制約了平行雙主軸加工的大面積使用。

2.2 圓角加工優(yōu)化方案

一般而言，薄壁圓角加工過程中常采用等切加工模式，但在這個(gè)加工過程中存在一些弊端，即薄壁銑削刀具加工中在圓角的切削力與直邊的切削力差異過大，因此，在圓角加工過程中可將圓角刀具進(jìn)一步優(yōu)化，即在等切厚銑削過程中，可將刀具的切入角適當(dāng)變化。由薄壁刀具銑削的公式可得，切入角的余弦為：1減去圓角銑削時(shí)的徑向切深除以銑刀半徑的數(shù)值，然后再減去圓角銑削時(shí)的徑向切深除以銑刀半徑與圓角銑削時(shí)的徑向切深一半的差值，最后除以銑刀半徑與刀具中心軌跡在圓角處的半徑的乘積。由此可知，直邊銑削時(shí)的徑向切深與圓角銑削時(shí)的徑向切深相等時(shí)，薄壁銑削時(shí)的切削力會(huì)隨著切入角的變化而出現(xiàn)一定規(guī)律的變化，導(dǎo)致刀具圓角加工時(shí)出現(xiàn)失誤、薄壁圓角加工出現(xiàn)問題，因此，可以通過減小刀具在有直邊轉(zhuǎn)入圓角的徑向切深，或保持立銑刀銑削切入角不變。同時(shí)，由于立銑刀的尺寸會(huì)不斷變化，即隨著銑削加工過程中銑刀與薄壁組件的摩擦力的增加而產(chǎn)生顫振，因此，在薄壁加工過程中需要注意最大限度地縮短銑刀的懸伸長度，或增加薄壁組件自身的剛性，從而減小銑削加工時(shí)對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件的沖擊力。

2.3 薄壁結(jié)構(gòu)腹板加工優(yōu)化

薄壁結(jié)構(gòu)腹板主要分為無支撐的腹板加工、有支撐的腹板加工兩種，對(duì)于無腹板加工的薄壁結(jié)構(gòu)件可利用零件結(jié)構(gòu)中沒有加工的部分來扶持零件的加工部分，即在無腹板薄壁結(jié)構(gòu)將銑削加工過程中，可以從結(jié)構(gòu)件的中間位置切入，然后向四周逐漸延伸，直至到達(dá)薄壁側(cè)壁，或采用加強(qiáng)立銑刀的剛性、保持刀具的軌跡一致等方法降低銑削過程中顫振的頻率，保持薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工的穩(wěn)定性。而對(duì)于有輔助支撐的薄壁結(jié)構(gòu)件的腹板加工，可以通過增加薄壁腹板厚度或填充基座等方式提高腹板本身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

3 結(jié)束語

總而言之，由于薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工過程中薄壁結(jié)構(gòu)件的自身特性提升了顫振概率，影響了薄壁結(jié)構(gòu)件的加工過程，因此，對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工過程中顫振幅度的影響因素進(jìn)行分析，在薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工中主要受銑刀縱向切深的影響，薄壁結(jié)構(gòu)的腹板加工、圓角刀具加工、側(cè)壁加工過程中應(yīng)注意維持銑刀切入的穩(wěn)定及懸伸長度，從而保證薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工的穩(wěn)定性。

［1］蔣宇平，龍新華，孟光.薄壁結(jié)構(gòu)件銑削加工振動(dòng)穩(wěn)定性分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2016，35（02）：45-50.

［2］張小儉，熊蔡華.柔性結(jié)構(gòu)銑削時(shí)滯工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論與實(shí)驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014（10）：190.