微小型無偏正交車銑加工系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

劉冰冰，張之敬，金鑫

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

車銑復(fù)合加工中心出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，由奧地利WEL公司［1］首創(chuàng)并制造出來，主要用于加工常規(guī)尺寸的曲軸等復(fù)雜軸類零件。由于在車銑復(fù)合加工中心上可進(jìn)行多種不同工藝加工，實現(xiàn)工序集中加工進(jìn)而實現(xiàn)高精度、高效率、低成本加工，因此車銑復(fù)合加工中心在近幾十年得到了迅速的發(fā)展。車銑加工在最初的研究中被認(rèn)為是特別適合大型軸類及薄壁類零件的加工。劉克非等從微小型零件的正交車銑加工實驗中得出車銑加工也適用于微小型軸類零件加工的結(jié)論［2］，該結(jié)論開啟了微小型零件車銑加工的研究。

對于微小型零件的加工，由于加工系統(tǒng)中工件和刀具的尺寸都較小，使得加工系統(tǒng)的剛度下降，因此在加工過程中更容易發(fā)生顫振。切削顫振產(chǎn)生的原因和發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律與切削加工過程本身及金屬切削機(jī)床動態(tài)特性都有著內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系，影響因素很多，是一個非常復(fù)雜的機(jī)械振動現(xiàn)象。一旦機(jī)械加工系統(tǒng)發(fā)生顫振，輕則會產(chǎn)生噪聲、縮短刀具壽命，重則會使機(jī)械系統(tǒng)無法進(jìn)行正常加工。因此各國學(xué)者對切削顫振的機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，提出了以下5種切削顫振機(jī)制，分別為摩擦降落理論、刀具前后角變化理論、切削力下降理論、振型相關(guān)理論和再生型顫振理論。而其中針對再生型顫振的研究較多，該理論的發(fā)展也最為成熟。

以北京理工大學(xué)微小型制造實驗室自主研制的KNC-50FS車銑復(fù)合機(jī)床為研究對象，基于再生型顫振理論對車銑加工系統(tǒng)的穩(wěn)定加工區(qū)域進(jìn)行了研究。

1 無偏心正交車銑動力學(xué)模型

車銑加工按照不同方式分類，可有3種形式:(1)依據(jù)工件旋轉(zhuǎn)軸線與刀具旋轉(zhuǎn)軸線相對位置的不同，車銑加工主要可分為軸向車銑、正交車銑以及一般車銑;(2)依據(jù)工件和刀具旋轉(zhuǎn)相對方向的不同，它們又都可分為順銑和逆銑兩種不同的形式;(3)根據(jù)刀具和工件軸心位置不同可分為上偏心、下偏心和無偏心。

由于微小型銑刀的有效切削長度較短，軸向車銑加工較長微細(xì)軸時，工件易與刀柄部位發(fā)生干涉而折斷;而且軸向車銑時當(dāng)?shù)毒吆凸ぜl(fā)生彎曲變形時，刀具側(cè)面的螺旋刃易對已加工表面實施重復(fù)切削，嚴(yán)重影響零件的表面質(zhì)量和尺寸精度，因此微小型車銑加工中通常采用正交車銑的方式。在常規(guī)尺寸零件的加工中，常采用銑刀軸線與工件軸線非共面正交的形式，即偏心正交，以在保持較好的已加工表面形狀前提下盡量加大走刀量而實現(xiàn)高效車銑。然而由于微小型車銑加工中工件尺寸很小，大量切削實驗證明，偏心車銑并未提供更好的加工精度，因此文中僅以無偏心正交車銑作為研究對象，如圖1所示。

圖1 無偏正交車銑加工圖

車銑加工過程中，車削主軸和銑削主軸同時旋轉(zhuǎn)，因此相應(yīng)的刀齒軌跡相對于車削或銑削復(fù)雜很多。為了對其進(jìn)行分析將工件沿切削進(jìn)給螺旋線展開，這樣可以將車銑加工簡化為端面銑削從而進(jìn)行研究，文中的研究均在展開平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行。

在微小型車銑加工系統(tǒng)中，由于刀具的尺寸與工件的尺寸相比較為接近，而刀具系統(tǒng)的剛度要遠(yuǎn)大于工件系統(tǒng)，所以在相同的作用力下，顫振更有可能發(fā)生在剛度較小的工件系統(tǒng)上，因此車銑加工的簡化動力學(xué)模型如圖2所示，圖中sj－1和sj分別為第j－1個刀齒和第j個刀齒的切削軌跡，kz、ky分別為工件系統(tǒng)z向和y向的彈性系數(shù)，cz、cy分別為工件系統(tǒng)z向和y向的阻尼系數(shù)。

圖2 車銑加工動力學(xué)模型

2 車銑穩(wěn)定性葉瓣圖

由于微小型車銑可以簡化為端面銑削，因此根據(jù)BUDAK 和 ALTITANS 建立的銑削方程原理［9－11］，最終得到無顫振條件下的切削寬度的表達(dá)式為:

由式 (1)可以得出:為了求得無顫振條件下的切削極限寬度，需要得到加工系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。而對于微小型車銑加工系統(tǒng)，則是剛度較小的工件系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，因此對工件加工系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)特性測試。測試系統(tǒng)圖如圖4所示，銑刀為2齒、直徑φ4 mm的硬質(zhì)合金銑刀，工件材料為2A12ZC，直徑φ4 mm。

圖3 工件系統(tǒng)傳遞函數(shù)實部虛部圖

圖4 工件系統(tǒng)動態(tài)特性測試系統(tǒng)圖

3 穩(wěn)定性葉瓣圖實驗驗證

圖5 車銑穩(wěn)定性葉瓣圖

在車銑穩(wěn)定性葉瓣圖 (圖5)中隨機(jī)選擇5組切削參數(shù)，用每組切削參數(shù)加工3個零件來進(jìn)行顫振域圖的驗證試驗，試驗中的切削參數(shù)如表1所示。利用信號采集系統(tǒng)進(jìn)行加工過程中的加速度信號的采集，采集信號為兩通道，通道1所對應(yīng)的加速度傳感器安裝在工件主軸上以檢測主軸的振動信號，通道2對應(yīng)的加速度傳感器安裝在刀具主軸上。最終得到的時域信號結(jié)果如圖6所示。

表1 穩(wěn)定性葉瓣圖驗證試驗參數(shù)

圖6 各組加工參數(shù)所得加速度信號以及零件圖

圖6是在各組試驗參數(shù)下得到的工件主軸和刀具主軸的加速度信號和加工所得的零件圖，由各加速度信號圖可以清楚得到以下結(jié)論:圖 (a)中，在加工的后半段中，工件主軸的加速度信號逐漸增加，這說明顫振在工件加工過程中逐漸發(fā)展;圖 (c)、 (i)中，工件主軸的加速度信號也有明顯的變化，這說明在這3組加工參數(shù)下都發(fā)生了顫振現(xiàn)象，且振動的主體是工件主軸;圖 (e)、(g)中工件主軸和刀具主軸的加速度信號一直比較平穩(wěn)，可知在這兩組加工參數(shù)下并未發(fā)生顫振現(xiàn)象。

將各組參數(shù)在穩(wěn)定性曲線上標(biāo)示出來，得到圖7，可以看出:研究中所得的穩(wěn)定性葉瓣圖比較準(zhǔn)確，可以以此為基礎(chǔ)進(jìn)行加工穩(wěn)定性的預(yù)測，亦可進(jìn)行加工參數(shù)的選擇。

圖7 各加工參數(shù)下顫振情況

4 結(jié)論

基于再生顫振理論進(jìn)行了車銑加工過程中的顫振研究，根據(jù)理論分析將無偏正交車銑加工轉(zhuǎn)化為端銑加工進(jìn)行研究，由于工件和刀具的尺寸相近而材料不同，使得在微小型無偏正交車銑加工系統(tǒng)中，工件系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，因此根據(jù)BUDAK和ALTITANS建立的銑削方程原理繪制了無偏正交車銑加工的穩(wěn)定性葉瓣圖，并通過實驗驗證該穩(wěn)定性葉瓣圖的有效性，為微小型無偏正交車銑加工的加工參數(shù)選擇和加工效率提高提供了依據(jù)。

【1】王禮健.車銑復(fù)合加工技術(shù)——高速、高效、高質(zhì)、高柔性［J］.航空宇航制造技術(shù)，2008(4):48－49.

【2】劉克非，張之敬，周敏，等.微細(xì)軸切削加工特性分析［J］.中國機(jī)械工程，2005，16(22):1987 －1990.

【3】周敏，張之敬.微小型正交車銑單齒圓周刃理論切削力研究［J］.中國機(jī)械工程，2009，20(13):1527 －1532.

【4】黃強(qiáng)，張根寶，張新玉，等.機(jī)床顫振過程的試驗與分析［J］.重慶大學(xué)學(xué)報，2008，31(4):360 －370.

【5】師漢民.機(jī)械振動系統(tǒng)——分析、測試、建模、對策(下冊)［M］.武昌:華中科技大學(xué)出版社，2004.

【6】LI Z Q，LIU Q.Solution and Analysis of Chatter Stability for End Milling in the Time-domain［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2008(21):169 －178.

【7】李忠群，劉強(qiáng).基于MATLAB的銑削加工顫振穩(wěn)定域仿真及實現(xiàn)［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2007(7):109－111.

【8】石莉，賈春德，孫玉龍.應(yīng)用小波研究動態(tài)銑削力及預(yù)報銑削顫振［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，38(10):1779－1780.

【9】BUDAK E.Analytical Models for High Performance Milling:PartⅠ:Cutting Forces，Structural Deformations and Tolerance Integrity［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006，46(12/13):1478 －1488.

【10】BUDAK E.Analytical Models for High Performance Milling:PartⅡ:Process Dynamics and Stability［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006，46(12/13):1489－1499.

【11】ALTITANS Y，BUDAK E.Analytical Prediction of Stability Lobes in Milling［J］.Annals of CIRP，1995，44(1):357－362.