薄壁零件的切削顫振研究

黃建華

摘 要：刀具和工件加工之間產(chǎn)生顫振，一直是我國機械重點關注的一項問題。其實，導致顫振現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是，薄壁零件由于自身結(jié)構(gòu)的特點，穩(wěn)定性能相對較差，在切削過程中很容易發(fā)生變相和顫振的現(xiàn)象，嚴重影響了薄壁零件切削的準確性。因此，本文就薄壁零件切削顫振進行了分析和研究，希望對我國機械行業(yè)在薄壁零件加工生產(chǎn)中給予一定的幫助。

關鍵詞：薄壁零件 切削 顫振 穩(wěn)定性

中圖分類號：TG50 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0108-02

由于薄壁零件的重量輕、使用材料節(jié)約儉省、構(gòu)造緊湊等特點，在我國很多機械行業(yè)中得到了廣泛應用，例如航空航天、機械制造等方面。薄壁零件主要是指零件壁厚小于2mm，其結(jié)構(gòu)相對較為復雜，在加工過程中不僅工藝復雜，還容易出現(xiàn)一些問題，而顫振就是其中一個，只有加強對該方面的了解和分析，才能制定相應的解決方案，保證薄壁零件加工的穩(wěn)定性。

1 切削顫振分析

1.1 自由振動

在薄壁零件切削過程中，加工系統(tǒng)受到某一種因素的影響產(chǎn)生沖擊，也會引發(fā)薄壁零件切削顫振現(xiàn)象的發(fā)生。但是，該現(xiàn)象會因為自身加工系統(tǒng)中阻力的作用會很快消失，不會產(chǎn)生較大影響。

1.2 強迫振動

強迫振動主要是因為薄壁零件切削過程中，由于零件自身的斷續(xù)性、切削形成的不連續(xù)性以及外部周期性或者非周期性都會產(chǎn)生干擾力，從而引發(fā)薄壁零件切削顫振現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 自激振動

自激振動也叫做顫振，是金屬薄壁零件切削加工過程所特有的并且在沒有周期性外力作用下，僅僅是加工所形成的一種劇烈振動，導致薄壁零件切削整個過程的穩(wěn)定性嚴重下降。另外自激振動是自身系統(tǒng)所產(chǎn)生，對防振和消振等方面都帶來了一定的難度，成為薄壁零件切削顫振重點研究的一項內(nèi)容。

2 薄壁零件切削加工分析

薄壁零件結(jié)構(gòu)復雜，剛度較低，加工余量大。就以薄壁套座為例，如圖1所示，該薄壁最薄位置的厚度只有1mm。在加工過程中，受切削力、切削熱及夾緊力等因素的影響，極易變形并且尺寸精度越高，薄壁零件切削加工的難度也會增大。

另外，在薄壁零件切削過程中，會受到周期性的作用產(chǎn)生顫振，而且顫振速度相對較快，刀具磨損程度也較為嚴重，影響了薄壁零件切削的精準性。在實際加工過程中，往往是過于注重傳統(tǒng)的加工模式，根據(jù)自身的經(jīng)驗選擇加工工藝參數(shù)，不僅成本較高、加工的效率較低，而且加工的周期也相對較長。

因此，在薄壁零件切削加工過程中，可以利用ANSYS的動力學進行分析，對整個過程進行模型構(gòu)建分析，也為顫振的控制提供了相對合理、科學的控制方案，其動力方程式為：[M]{ü}+[C]{ū}+[K]{u}={F（t）}，其中，[M]為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、[K]為結(jié)構(gòu)剛度矩陣、[C]為結(jié)構(gòu)阻力矩陣、{ü}為節(jié)點加速度矢量、{ū}為節(jié)點速度矢量、{u}節(jié)點位移矢量、{F（t）}為根據(jù)時間的變化，荷載所變化的函數(shù)。

將薄壁零件切削過程中，簡化周期性的正弦作用力，構(gòu)建一個有限元模型，對其進行動力學模型以及諧響分析，得到加工系統(tǒng)的動態(tài)響應。同時，可以對參數(shù)進行優(yōu)化和分析， 保證薄壁零件切削的準確性，避免顫振現(xiàn)象的發(fā)生。

3 薄壁零件切削顫振控制分析

3.1 有限元模型的建立

（1）幾何模型的建立。裝夾系統(tǒng)是薄壁零件切削加工的主要構(gòu)成，在構(gòu)建模型的過程中，通過UG與ANSYS接口將UG模型導入到ANSYS Workbench中的DesignModeler模塊中，從而建立幾何模型。

（2）接觸以及單元屬性的設置。在加工的過程中，一定要裝夾牢固并且在整個過程中不能發(fā)生松動、位移等情況。因此，在有限元模型構(gòu)建過程中，一定要保證各個零件之間不會發(fā)生相對運動，避免在后期生產(chǎn)中發(fā)生顫振。

3.2 加強加工模型系統(tǒng)分析

（1）ANSYS模態(tài)。ANSYS模態(tài)是計算系統(tǒng)振動的數(shù)值，主要對加工中固有頻率和振型等方面進行計算和分析，這也是薄壁零件加工動力學分析的基礎。同時，在分析時應當對固有頻率和振型進行確定，避免在加工過程發(fā)生共振現(xiàn)象。

另外，在薄壁零件加工過程中ANSYS模態(tài)不僅可以避免共振現(xiàn)象發(fā)生，還不會對刀具和零件造成太大的影響。

（2）加工模型系統(tǒng)。加工模型系統(tǒng)的確定是控制薄壁零件顫振的基礎，主要可以從兩個方面展開：①模型邊界條件的分析，可以在基礎底板平面與機床固定連接的位置，設置零件裝夾，這樣可以對整個加工狀態(tài)進行有效控制；②對模型動態(tài)分析，一定要利用相應的計算公式，對動態(tài)模型進行分析和求解，保證薄壁零件加工的準確性。

3.3 加工系統(tǒng)諧響的分析

（1）諧響應邊界的設置。設置零件裝夾基礎底板平板與機床固定的位置，這樣可以起到固定的作用，避免松動引發(fā)薄壁零件切削顫振。另外，對接面中心為加工中剛性相對較差的位置，應當在單位荷載的基礎之上對諧響應進行分析，單位荷載為：{F（x），F(xiàn)（x），F(xiàn)（z）}={1，1，1}，從而降低薄壁零件切削顫振現(xiàn)象發(fā)生的概率。

（2）結(jié)果分析。對薄壁零件切削顫振控制過程中，可以利用曲線形式對振動頻率的變化進行準確記錄，這樣也可以保證薄壁零件切削加工的準確性。

3.4 構(gòu)建薄壁零件切削顫振控制平臺

在薄壁零件切削加工過程中，應當利用相應軟件對加工和切削整個過程的數(shù)據(jù)進行全面分析，這樣也為薄壁零件切削模型構(gòu)建提供了重要的參考依據(jù)。另外，根據(jù)相應計算公式，以切削和加工過程中參數(shù)作為模型變量，顫振幅值為約束條件，材料去除效率為目標函，從而構(gòu)建完善的顫振控制平臺，降低薄壁零件切削顫振發(fā)生的概率。

4 結(jié)語

本文對薄壁零件切削顫振進行了簡要的分析，對其發(fā)生原因提出了一些控制措施，例如有限元模型的建立、加強加工模型系統(tǒng)分析、加工系統(tǒng)諧響的分析等方面，通過對薄壁零件切削顫振機理和加工過程的分析，采取有效的控制措施，可以保證薄壁零件切削加工的準確性和穩(wěn)定性，確保切削加工的順利展開，從而避免薄壁零件切削顫振現(xiàn)象的發(fā)生。

參考文獻

[1] 李紅衛(wèi)，師智斌，唐慧霖，等.薄壁鈦合金零件切削顫振控制技術(shù)研究[J].航天制造技術(shù)，2015（2）：9-12.

[2] 汪通悅，何寧，李亮，等.薄壁零件的切削顫振研究進展[J].淮陰工學院學報，2014（1）：15-22.

[3] 湯愛君，馬海龍.薄壁零件切削穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀[J].工具技術(shù)，2017（12）：11-13.