試析薄壁結構件銑削加工穩定性

方澤華

（廣州市機電高級技工學校，廣東 廣州 510000）

現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。銑削加工過程的穩定性與整個薄壁結構組件銑削加工過程的質量息息相關，但在薄壁結構組件銑削加工工藝流程主要受兩個方面的因素影響，即銑削過程刀具、工件的作用力和工藝系統的動態特征。因此，對這兩方面的因素進行試驗和分析，對于薄壁結構件銑削加工的穩定性提升有重大意義。

1 銑削加工顫振理論分析及試驗

1.1 建立動力學模型

為了提升該動力學模型的真實性，可模擬薄壁加工的實際情況，然后對整個銑削加工系統進行相應簡化，從而對薄壁多框結構件在銑削加工過程中發生的顫振、強度對薄壁結構件穩定性的影響程度進行詳細分析。而其主要受工件自身的參數和銑削加工程度的影響，同時，由于銑削加工過程較為復雜，因此，在實驗過程中動態模型建立的基礎上，可作出以下假設：在銑刀進給的X方向以刀具中心軸線為依據，然后以相應的角度旋轉，旋轉頻率逐漸提升，記錄增長幅度，并計算每個節點的位移；經過多次旋轉以后，旋轉角度為B，可設置旋轉次數為C，多次重復試驗直至得出加工工件的各處移動位移，而薄壁結構件的顫振會逐步增加移動位移數據；統一計算受力和位移數值，將薄壁梁作為研究對象。由于薄壁梁橫向振動前幾階振幅大于梁縱向振幅，而固有頻率則遠小于縱向固有頻率，因此，可將薄壁梁橫向的固有頻率忽略不計。

薄壁梁橫向振動微分方程為：

式（1）中：x為工件位置的橫向坐標；t為橫向切削力。

薄壁梁橫向振動微分示意圖如圖1所示。

圖1 薄壁梁橫向振動微分示意圖

依據動態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。

為了進一步確定螺旋圓柱立銑刀的動態切削力，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×（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/徑向切削力系數×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，假定動態固有頻率不變、薄壁固梁兩端的剛度無窮大，切入角和切出角不變，轉速均為6 000 r/min，可得出銑削加工參數中，軸向切深可隨著每齒進給量的增加而變化，比如每齒進給量為0.102 mm，而軸向切深會在0.10～0.26 mm。在非穩態的薄壁梁銑削模擬情況下，假定阻尼比均為0.04，當固有頻率微為581 Hz時，等效剛度在 1.66×106～7.56×109，等效質量為 0.13～566.8；而當固有頻率為 1 603 Hz時，等效剛度為 1.45×107～4.51×1020，等效質量為 0.144 5～4.35×1012.

1.2 結論分析

通過構建動態模型以及模擬可得出，薄壁切削單各切削周期系統較為穩定，而通過對薄壁銑削等效剛度、質量的動態模擬數據可得出當工件在軸向切深為0.22 mm時處于穩定狀態，而軸向切深為0.25 mm時系統處于非穩定的周期運動，因此在薄壁結構件的銑削加工過程中，薄壁梁銑削三維穩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，系統的非線性特征會減弱，進而影響系統的穩定性。

2 銑削加工穩定性技術探究

2.1 薄壁側壁銑削加工優化

現階段，薄壁結構件的銑削加工易出現非穩定性的環節主要有薄壁結構的腹板加工、圓角加工及薄壁結構的側壁加工。在薄壁結構側壁加工過程中，保持銑削過程的穩定性非常重要，可通過保持銑削過程中整體零件的剛性提升整體薄壁側壁的穩定性。在薄壁結構件的銑削加工過程中，可根據實際情況設定合理的銑削范圍，可選擇相應的銑刀，然后采用小軸向切深分層、大徑向切深的加工模式。對于較深的型腔，可適當增加刀具的徑向，然后在銑削加工過程中根據實際需要，逐步調整刀具的懸身長度，降低薄壁側壁顫振。同時，為了保持薄壁側壁銑削加工的穩定性，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，可同時應用兩把立銑刀，需要注意的是，立銑刀的懸伸長度、回轉角度需要一致，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，且可以增加薄壁結構加工的精確度，但由于平行雙主軸加工過程中對機床的雙主軸的距離需要嚴格規定，加之機床雙主軸間距控制作業工序較多，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一步優化，即在等切厚銑削過程中，可將刀具的切入角適當變化。由薄壁刀具銑削的公式可得，切入角的余弦為：1減去圓角銑削時的徑向切深除以銑刀半徑的數值，然后再減去圓角銑削時的徑向切深除以銑刀半徑與圓角銑削時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，直邊銑削時的徑向切深與圓角銑削時的徑向切深相等時，薄壁銑削時的切削力會隨著切入角的變化而出現一定規律的變化，導致刀具圓角加工時出現失誤、薄壁圓角加工出現問題，因此，可以通過減小刀具在有直邊轉入圓角的徑向切深，或保持立銑刀銑削切入角不變。同時，由于立銑刀的尺寸會不斷變化，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對薄壁結構件的沖擊力。

2.3 薄壁結構腹板加工優化

薄壁結構腹板主要分為無支撐的腹板加工、有支撐的腹板加工兩種，對于無腹板加工的薄壁結構件可利用零件結構中沒有加工的部分來扶持零件的加工部分，即在無腹板薄壁結構將銑削加工過程中，可以從結構件的中間位置切入，然后向四周逐漸延伸，直至到達薄壁側壁，或采用加強立銑刀的剛性、保持刀具的軌跡一致等方法降低銑削過程中顫振的頻率，保持薄壁結構件銑削加工的穩定性。而對于有輔助支撐的薄壁結構件的腹板加工，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構的強度。

3 結束語

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

［1］蔣宇平，龍新華，孟光.薄壁結構件銑削加工振動穩定性分析［J］.振動與沖擊，2016，35（02）：45-50.

［2］張小儉，熊蔡華.柔性結構銑削時滯工藝系統的穩定性理論與實驗研究［J］.機械工程學報，2014（10）：190.