鈦合金銑削中的顫振問(wèn)題是制約加工效率的一大瓶頸

鈦合金一直被廣泛應(yīng)用于航空制造工業(yè)，其具有比強(qiáng)度大、密度小、耐熱性強(qiáng)以及耐低溫等優(yōu)良綜合性能，用它制造飛機(jī)零部件，不僅可以延長(zhǎng)飛機(jī)使用壽命，而且可以減輕重量，降低燃料消耗，從而大大提高其飛行性能。但鈦合金同時(shí)是一種典型的難加工材料，其導(dǎo)熱性差、化學(xué)活性高、加工硬化嚴(yán)重、刀具壽命短，并且由于單位切削力大、加工過(guò)程中極易發(fā)生顫振，顫振給工件留下的斜狀振紋，往往需要手工珩磨去除，影響加工效率，嚴(yán)重的直接導(dǎo)致工件報(bào)廢，甚至毀壞刀具，鈦合金加工的顫振問(wèn)題，是制約航空制造質(zhì)量和效率的一大瓶頸?？刂祁澱竦姆椒ㄒ话憔蓺w結(jié)為增加系統(tǒng)阻尼。切削系統(tǒng)阻尼可分為機(jī)床結(jié)構(gòu)阻尼和由刀具后刀面與工件表面相互干涉而產(chǎn)生的阻尼，亦稱(chēng)為過(guò)程阻尼（process damping）。過(guò)程阻尼的建模和標(biāo)定是近年國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，加拿大著名學(xué)者Altintas曾將其列為切削顫振中尚未解決的研究難點(diǎn)。

最早發(fā)現(xiàn)切削加工中的過(guò)程阻尼現(xiàn)象，隨著切削速度降低，車(chē)削加工的穩(wěn)定性極限可顯著提高。還歸納出，切削速度、刀具后角和刃口半徑是影響過(guò)程阻尼的關(guān)鍵因素。后來(lái)諸多學(xué)者針對(duì)過(guò)程阻尼進(jìn)行研究，指出后刀面與工件表面振動(dòng)波紋干涉形成的作用力是過(guò)程阻尼的來(lái)源。文獻(xiàn)通過(guò)一系列正交試驗(yàn)，識(shí)別動(dòng)態(tài)切削力中的過(guò)程阻尼系數(shù)，該試驗(yàn)由快速伺服系統(tǒng)控制，使得刀具以預(yù)期頻率和振幅振蕩，但該試驗(yàn)系統(tǒng)較為復(fù)雜，工作量很大。克服了試驗(yàn)建模的弱點(diǎn)，在過(guò)程阻尼建模和系數(shù)標(biāo)定方面，進(jìn)行了較為細(xì)致的工作。文獻(xiàn)將正交車(chē)削的穩(wěn)定性極限預(yù)測(cè)解析法和顫振實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，利用二者獲取的極限切深，直接標(biāo)定過(guò)程阻尼系數(shù)?；诖?，又結(jié)合能量分析，獲取侵入力系數(shù)，之后計(jì)算侵入面積和切削力，建立車(chē)削的穩(wěn)定性分析模型。文獻(xiàn)系統(tǒng)分析了切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)對(duì)過(guò)程阻尼的影響。基于小振幅假設(shè)，將過(guò)程阻尼等效為線(xiàn)性粘性阻尼，利用半離散法，計(jì)算銑削穩(wěn)定性極限，該模型具有一定局限性，預(yù)測(cè)出的穩(wěn)定性極限低于實(shí)驗(yàn)值。

目前，國(guó)際上對(duì)于過(guò)程阻尼的研究，主要集中在車(chē)削方面，對(duì)于銑削加工的過(guò)程阻尼，尚缺少完善的動(dòng)力學(xué)分析模型。其自由度多，受力分析需要坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，切削力方程中存在時(shí)變系數(shù)，對(duì)于侵入面積和過(guò)程阻力的描述遠(yuǎn)較車(chē)削困難。而國(guó)內(nèi)尚未有學(xué)者對(duì)過(guò)程阻尼進(jìn)行深入研究，在目前現(xiàn)有文獻(xiàn)中，切削穩(wěn)定性分析均采用較為傳統(tǒng)的線(xiàn)性模型，未考慮過(guò)程阻尼，該模型在低速區(qū)會(huì)產(chǎn)生很大誤差。而對(duì)于鈦合金加工來(lái)說(shuō)，為保證刀具壽命，切削速度一般較低，這時(shí)如果還采用常規(guī)的線(xiàn)性模型，預(yù)測(cè)的極限切深遠(yuǎn)低于實(shí)際極限切深，勢(shì)必會(huì)影響加工效率。鑒于此問(wèn)題，需建立一考慮過(guò)程阻尼的銑削動(dòng)力學(xué)模型，利用隱式四階龍格庫(kù)塔法，計(jì)算典型鈦合金加工時(shí)，刀具后刀面與工件振動(dòng)波紋的侵入面積以及干涉阻力，繪制穩(wěn)定性極限圖。最終結(jié)合實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，本文所建非線(xiàn)性模型，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)低速區(qū)的穩(wěn)定性極限，為鈦合金加工參數(shù)的選擇提供了參考。