鈦合金Ti6AL4V銑削加工的穩(wěn)定性

李洪濤，　杜　紅，　郭延艷

(1.黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院，哈爾濱 150022)

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鈦合金Ti6AL4V銑削加工的穩(wěn)定性

李洪濤1，杜紅2，郭延艷1

(1.黑龍江科技大學(xué) 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院，哈爾濱 150022)

針對(duì)鈦合金工藝性能差的問(wèn)題，以鈦合金Ti6AL4V為研究對(duì)象，通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)和銑削力實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)得特定刀具和工件系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)和銑削力系數(shù)。利用在不同切削參數(shù)下測(cè)得的切削力，應(yīng)用完全平均和峰值平均兩種算法，計(jì)算模型的切削力系數(shù)。以銑削動(dòng)力學(xué)模型分析為基礎(chǔ)，建立顫振穩(wěn)定性邊界曲線，獲取無(wú)顫振高性能加工工藝參數(shù)。該研究可以為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪葉片銑削加工工藝的優(yōu)化，提供完善的理論依據(jù)。

鈦合金； 切削力系數(shù)； 顫振； 穩(wěn)定性

0　引　言

鈦合金具有耐蝕性和耐熱性好、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪葉片部件上得到廣泛的應(yīng)用。但鈦合金的工藝性能差，切削加工困難，其彈性模量?jī)H為鋼的50%，導(dǎo)熱系數(shù)小，加工中產(chǎn)生的熱量難以釋放，易引起加工系統(tǒng)的振動(dòng)[1]。因此，眾多學(xué)者對(duì)鈦合金的切削加工做了大量的研究[1-6]。其中，銑削加工過(guò)程的穩(wěn)定性研究，是為了合理的選取切削轉(zhuǎn)速和切削深度參數(shù)，來(lái)避免自激顫振的發(fā)生，并不斷優(yōu)化加工工藝參數(shù)，最終達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。筆者以鈦合金Ti6AL4V為研究對(duì)象，進(jìn)行銑削加工實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了不同參數(shù)下的切削力,并應(yīng)用兩種不同方法，即完全平均算法和峰值平均算法，計(jì)算模型的切削力系數(shù)。在計(jì)算穩(wěn)定性邊界時(shí)，對(duì)比不同徑向切削深度對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

1　單自由度銑削動(dòng)力學(xué)模型

單自由度銑削動(dòng)力學(xué)模型為

x(t-T))，

式中：ξ——阻尼比；

ωn——自然圓頻率；

a——軸向切深；

mt——刀具模態(tài)質(zhì)量。

時(shí)滯量T等于刀齒切削周期60/(Nn)，N為刀齒數(shù)，n是主軸轉(zhuǎn)速。切削力系數(shù)h(t)為：

式中：Kt、Kr——切向與徑向切削力系數(shù)；

φj(t)——第j個(gè)刀齒轉(zhuǎn)角。

φj(t)=(2πn/60)t+(j-1)·2π/N。

函數(shù)g(φj(t))定義為：

式中:φst——切入角；

φex——切出角；

對(duì)于順銑，φst=arccos(2a/D-1),φex=π；對(duì)于逆銑，φst=0，φex=arccos(1-2ae/D)，ae/D為徑向切深與刀具直徑之比。

式中：

2　模態(tài)耦合效應(yīng)的銑削穩(wěn)定性分析

銑削過(guò)程的刀具結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合效應(yīng)，是指對(duì)刀具以模態(tài)實(shí)驗(yàn)法建模時(shí)，需考慮刀具坐標(biāo)系下y向激勵(lì)在x向產(chǎn)生的響應(yīng)以及x向的激勵(lì)在y向產(chǎn)生的響應(yīng)。故模態(tài)質(zhì)量矩陣M、阻尼矩陣C及剛度矩陣K的非對(duì)角項(xiàng)均非零。

考慮刀具結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合效應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

模態(tài)參數(shù)使用丹麥B&K公司的3560C模塊、加速度傳感器和zmpact hammer 8206力錘，通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)獲取[3-4]，刀具模態(tài)參數(shù):

3　實(shí)驗(yàn)分析

3.1實(shí)驗(yàn)方案及參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所用機(jī)床為奧地利EMCO公司生產(chǎn)的ConceptMill155數(shù)控三軸加工中心，主軸最高轉(zhuǎn)速10 000r/min，主軸功率4.5kW，進(jìn)給速度10m/min。采用儀器包括Kistler9257B壓電式測(cè)力儀、Kistler5070A多通道電荷放大器、Kistler配套采集卡。切削刀具采用整體硬質(zhì)合金式四刃銑刀，具體參數(shù)：刀具直徑D=8mm、刀齒數(shù)N=4、刀具螺旋角β=45°，刀齒長(zhǎng)度h=40mm、安裝懸長(zhǎng)L=60mm，刀具材料為硬質(zhì)合金。

采用四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)高溫合金Ti6AL4V進(jìn)行切削力實(shí)驗(yàn)，測(cè)量切削力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，其中ae是軸向切深、a是徑向切深、c是切削速度、n是主軸轉(zhuǎn)速、f是每齒進(jìn)給。

實(shí)驗(yàn)銑削方式為逆銑，即銑刀的切削運(yùn)動(dòng)方向與工件進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向相反。逆銑加工時(shí)，刀具與工件的切入角φst=0，切出角φex=arccos(1-2ae/D)。應(yīng)用瞬時(shí)切削力公式：

將兩種算法得到的切削力代入式(1)后，可得到對(duì)應(yīng)的切削力系數(shù)，見(jiàn)表3，其中完全平均切削力為Fn，峰值平均切削力為Fm用表示。

表1　L16(44)四因素四水平正交試驗(yàn)表

圖1　切削力隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，通過(guò)瞬時(shí)切削力公式可以得出表3的切削力系數(shù)計(jì)算結(jié)果。圖1是采用表1中第15組數(shù)據(jù)進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)得的切削力隨時(shí)間變化曲線。

3.2切削力計(jì)算

完全平均算法，即計(jì)算多個(gè)周期內(nèi)的切削力，算得其平均值。使用Matlab編寫(xiě)運(yùn)算程序，分別調(diào)用實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的各組有效數(shù)據(jù)，可以求出不同切削參數(shù)下的切削力在Fx、Fy、Fz三個(gè)方向上的值。

峰值平均算法，即取多個(gè)周期的波峰值，計(jì)算其平均切削力，結(jié)果見(jiàn)表2。表2中序號(hào)4和6兩組實(shí)驗(yàn)序號(hào)因刀具損壞未測(cè)。

表2　切削力計(jì)算結(jié)果

表3　切削力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.3三維穩(wěn)定性lobe圖

考慮模態(tài)耦合效應(yīng)[5]，分別針對(duì)兩組切削力系數(shù)進(jìn)行研究。同時(shí)還考慮了刀具徑向切削深度對(duì)穩(wěn)定性邊界的影響。圖2是第一組刀具切削力系數(shù)在徑向切深下的lobe圖。

a　a=4 mm

b　a=1 mm

c　a=0.5 mm

Fig. 2Stability lobe of first set of cutting force coefficients in different radial cutting depth

通過(guò)觀察圖2中四組不同徑向切深a下的穩(wěn)定性，可知a對(duì)穩(wěn)定性邊界存在影響，當(dāng)a=4時(shí)，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合程度較好，隨著a值的減小，穩(wěn)定域變寬，這與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不相符。圖3是第二組切削力系數(shù)的穩(wěn)定性。

圖3　徑向切深 時(shí)的穩(wěn)定性lobe圖

Fig. 3Stability lobe of second groups of cutting force coefficients in radial cutting depth

圖3使用了第二組切削力系數(shù)，并在切深a=4 mm時(shí)繪制了穩(wěn)定性圖，這種通過(guò)峰值平均切削力法得到穩(wěn)定性圖，更加符合實(shí)際加工情況，效果較好。

4　結(jié)束語(yǔ)

鈦合金是一種難加工材料，以其為研究對(duì)象，進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)和銑削力試驗(yàn)研究，計(jì)算切削力系數(shù)，建立模型的穩(wěn)定性邊界曲線。通過(guò)對(duì)比峰值平均法計(jì)算切削力更為合理，得出刀具徑向切削深度對(duì)穩(wěn)定性邊界存在影響的結(jié)論。該實(shí)驗(yàn)可以為無(wú)顫振高性能加工工藝參數(shù)研究提供理論支撐，也可以為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪葉片銑削加工工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

[1]杜紅， 黃勝勇.鈦合金Ti6AL4V銑削加工過(guò)程阻尼模型穩(wěn)定性預(yù)報(bào)[J].黑龍江科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2014， 24(2)： 167-172.[2]李洪濤， 何紹會(huì). 鈦合金Ti6AL4V銑削力試驗(yàn)分析[J].工具技術(shù)， 2011, 11(2): 146-150.

[3]劉超，艾興. 車(chē)削高溫合金GH2132時(shí)切削力和表面粗糙度的建模與試驗(yàn)分析[J]. 工具技術(shù), 2009， 19(1)： 10-14.

[4]湯愛(ài)君. 薄壁件高速銑削三維穩(wěn)定性及加工變形研究[D].濟(jì)南： 山東大學(xué), 2009.

[5]丁燁. 銑削動(dòng)力學(xué)—穩(wěn)定性分析方法與應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué), 2011.

[6]MAHDI EYNIAN. Chatter stability of turning andmilling with process damping[D]. [s.l.]: Vancouver, 2010.

Research on Milling Stability of titanium Alloy Ti6AL4V

LiHongtao1,DuHong2,GuoYanyan1

(1 Center for engineering training & basic experimentation, Heilongjiang University of science & technology,Harbin 150022; 2 School of science, Heilongjiang University of science & technology, Harbin 150022)

This paper is directed at improving the poor performance of titanium alloy. The study building on the titanium alloy Ti6AL4V involves producing the modal parameters and milling force coefficients of the particular tool and workpiece system using the modal experiment and milling force experiment; calculating the cutting force coefficients of the model using the cutting force measured in different cutting parameters, together with two methods, the full average algorithm and the peak average algorithm; and, establishing the boundary curve of flutter stability, based on the analysis of milling dynamics model and thereby obtaining the process parameters. The research may provide a theoretical basis for the optimization of aero engine blade milling process.

titanium alloy; cutting force coefficient; chatter; stability

(編輯　徐　巖)

2016-06-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51105135；51405138)

李洪濤(1984-)，男，黑龍江省依安人，講師，碩士 研究方向：機(jī)械動(dòng)態(tài)特性研究與仿真，E-mail:lihongtao0021@163.com 。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.012

TG54

2095-7262(2016)03-0405-04

A