航空機(jī)械加工領(lǐng)域的弱剛性零件定義

劉甫州 鄧秋生 陳城等

摘要：航空機(jī)械加工領(lǐng)域中的弱剛性零件加工問題一直是行業(yè)內(nèi)的焦點(diǎn)，在對(duì)弱剛性零件加工時(shí)，會(huì)發(fā)生由相對(duì)位移因周期激勵(lì)的原因急劇增長所引起的跳刀現(xiàn)象，從而影響加工質(zhì)量，甚至引起刀具破損，極大的影響加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前工廠對(duì)于弱剛性零件的判斷主要依賴于加工人員的經(jīng)驗(yàn)，而對(duì)弱剛性零件缺少一個(gè)明確的定義，從而對(duì)弱剛性零件的定位支撐方案的選擇造成了困難，鑒于此，本文從生產(chǎn)車間實(shí)際對(duì)弱剛性零件加工時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象入手，結(jié)合原理分析，對(duì)弱剛性零件進(jìn)行定義，以減少上述問題的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：航空；機(jī)械加工；弱剛性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.012

1引言

在航空領(lǐng)域中，大型薄壁類高強(qiáng)度合金已得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際加工中，這類零件中經(jīng)常要反面加工，但由于某個(gè)方向的尺寸較其它方向的小，剛性不足，在加工過程中會(huì)出現(xiàn)跳刀、顫振等現(xiàn)象，造成刀具崩刃或者損壞機(jī)床主軸，以及零件表面粗糙度過大，加工誤差大。因此在實(shí)際加工時(shí)，往往要加支撐來增強(qiáng)待加工部位的剛性，但判斷是否要加支撐（或剛性不足）往往是在加工完成后，對(duì)零件進(jìn)行檢測時(shí)才能判斷，要在加工前就知道零件在加工過程中是否剛性不足，即零件是否為弱剛性零件，現(xiàn)在還沒有一個(gè)準(zhǔn)確的定義。

中國工程物理研究院的李尚政提出了弱剛度件的特點(diǎn)是：①剛度差，易變形；②精度要求高，關(guān)鍵部位精度要求達(dá)到IT5—IT7級(jí)。按其形狀一般可分為五大類：桿類：以細(xì)長軸為主；盤類：含薄片、空心盤等；短筒類：包括長徑比小于0.5的各種筒體、法蘭、中空殼體等；長筒類：指長徑比大于0.5的各種筒體、中空殼體等；半球殼類：含各種球殼、非球殼體。但他所說的桿類、盤類、短筒類、長筒類、半球殼類弱剛度件零件，只對(duì)其特點(diǎn)、分類做了簡單說明，但并沒有弱剛性的相關(guān)定義。

本文將從生產(chǎn)車間實(shí)際對(duì)弱剛性零件加工時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象入手，結(jié)合原理分析，對(duì)弱剛性進(jìn)行定義。

2工廠實(shí)際加工現(xiàn)象分析

（1）顫振。顫振機(jī)理：在銑削加工薄壁件時(shí)（以加工側(cè)壁為例），由于工件和刀具的彈性變形，在動(dòng)態(tài)銑削力的作用下，同一軸線上不同高度位置處的切削厚度并不相同，有的位置過切，有的位置刀具與工件分離，并未參與切削，這樣造成加工表面產(chǎn)生振紋。隨著切削的進(jìn)行，下一刀齒會(huì)在前一刀齒產(chǎn)生的振紋處切削，這樣，切削厚度不斷變化，動(dòng)態(tài)切削力隨之不斷改變，使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)。如圖2-2所示，當(dāng)相鄰刀具波形軌跡同相位時(shí)切削厚度不產(chǎn)生變化，不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，而當(dāng)波形軌跡不同相位時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顫振。

（2）跳刀。跳刀是機(jī)械加工中由振動(dòng)引起的刀具在水平或者豎直等方向跳動(dòng)的現(xiàn)象。

引起跳刀的原因有很多，主軸或機(jī)床的自由振動(dòng)、強(qiáng)迫振動(dòng)、自激振動(dòng)（顫振）等振動(dòng)和零件的一些因素（如零件表面凹凸不平等）都會(huì)引起跳刀現(xiàn)象，而引起機(jī)床或主軸振動(dòng)的原因又各種各樣。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械加工產(chǎn)生的振動(dòng)比率中，強(qiáng)迫振動(dòng)約占30%，自激振動(dòng)約占65%，而自由振動(dòng)只占5%左右，并且其振動(dòng)通常情況下迅速衰減，對(duì)機(jī)械加工過程的影響極小。而其他類型的振動(dòng)不能自然衰減，危害很大?？梢赃@樣說，引起跳刀現(xiàn)象的主要是顫振。

3機(jī)械振動(dòng)力學(xué)分析

顫振分析：研究車刀作自由正交切削的情況，此時(shí)車刀只作橫進(jìn)給運(yùn)動(dòng)f_z，車刀切削的是前一轉(zhuǎn)留下的表面，如圖所示：

假定切削過程受到前一瞬時(shí)的偶然性擾動(dòng)，于是刀具與工件便會(huì)發(fā)生相對(duì)振動(dòng)自由振動(dòng)，振動(dòng)的幅值將因?yàn)橛凶枘岽嬖诙饾u衰減。此種振動(dòng)當(dāng)然會(huì)在加工表面上留下一段振紋，如圖中的圖所示。當(dāng)工件轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，如圖中的所示，刀具便會(huì)在留有振紋的表面上重復(fù)切削，此時(shí)切削厚度將發(fā)生波動(dòng)，這就有動(dòng)態(tài)切削力產(chǎn)生。如果各種條件的匹配是促進(jìn)振動(dòng)的，那么便會(huì)進(jìn)一步發(fā)展到圖中所示的持續(xù)顫振狀態(tài)。圖3.3表示的是前后兩轉(zhuǎn)的切削情況。

通常后一轉(zhuǎn)切削的振紋與前轉(zhuǎn)切削的振紋總不會(huì)同步，他們在相位上總有一個(gè)差值φ，設(shè)本轉(zhuǎn)切削的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)為：