復(fù)雜曲面薄壁件銑削顫振穩(wěn)定性研究綜述*

吳 雁，王開發(fā)，鄭 剛，周 瓊，張而耕

(上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418)

0 引 言

高速低剛度結(jié)構(gòu)件廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)，但是其加工過程中，存在工作易變形、切削顫振等加工缺點(diǎn)。銑削作為一種多齒加工的連續(xù)切削過程，具有銑削力小、加工溫度低、加工范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于多軸復(fù)雜曲面加工中。

由于工件的弱剛性，在加工過程中會(huì)出現(xiàn)切削顫振，會(huì)嚴(yán)重降低銑削質(zhì)量和刀具壽命。在加工復(fù)雜曲面時(shí)，預(yù)測顫振的發(fā)生，避免顫振和通過選擇合理的切削參數(shù)來實(shí)現(xiàn)無顫振切削，成為近年來諸多學(xué)者研究的焦點(diǎn)。目前，有關(guān)加工顫振抑制的研究方向大致可以分為理論和工藝優(yōu)化兩方面：

(1)理論研究機(jī)理。主要有3種，分別為：再生型顫振理論、振型耦合型理論、摩擦型顫振理論；

(2)工藝優(yōu)化。即通過改變傳統(tǒng)的加工工藝進(jìn)而改變整個(gè)工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

目前，對(duì)于復(fù)雜曲面薄壁件顫振抑制問題的解決方法，大多是通過顫振抑制理論構(gòu)造顫振穩(wěn)定域，在穩(wěn)定域中選擇合適的切削參數(shù)。但是，構(gòu)建精確的三維顫振穩(wěn)定域模型，進(jìn)而來指導(dǎo)實(shí)際加工，仍存在很大困難。

本文將從復(fù)雜曲面薄壁件銑削加工顫振產(chǎn)生的機(jī)理、抑制方法、控制難點(diǎn)、適用場合、實(shí)際應(yīng)用情況，和目前眾多控制顫振方法的優(yōu)、缺點(diǎn)幾方面，來對(duì)此進(jìn)行綜述和分析。

1 再生型顫振理論簡介

在再生型顫振理論中，去掉剛性刀具的假設(shè)，切削時(shí)切削力會(huì)引起刀具的撓度改變，由于銑刀具有剛度和質(zhì)量，進(jìn)而會(huì)發(fā)生振動(dòng)。如果刀具在去除材料時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)就會(huì)以波形的形式印在工件表面。初始銑刀與工件表面的碰撞，使刀具開始振動(dòng)，沿刀具移動(dòng)方向的振動(dòng)特性被復(fù)制到工件表面上。當(dāng)工件開始第二次旋轉(zhuǎn)時(shí)，振動(dòng)刀具遇到第一次旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的波浪面，此時(shí)的刀具發(fā)生振動(dòng)的相位與工件表面波浪的相位進(jìn)行疊加，發(fā)生第二次振動(dòng)。因此，任何時(shí)刻的切屑厚度既取決于當(dāng)時(shí)的刀具撓度，也取決于前一次旋轉(zhuǎn)后的工件表面。

對(duì)于復(fù)雜曲面薄壁件銑削加工，再生型顫振更為難以控制。由于工件系統(tǒng)剛性與刀具系統(tǒng)剛性處在同一數(shù)量級(jí)，在構(gòu)建復(fù)雜曲面薄壁件加工顫振穩(wěn)定域時(shí)，機(jī)床-工件的模態(tài)參數(shù)也必須考慮在內(nèi)。同時(shí)，隨著工件上的材料被去除，弱剛性工件系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(工件質(zhì)量、模態(tài)參數(shù)、工件振型)在銑削過程中不斷變化。薄壁件在銑削時(shí)刀具位置反復(fù)變化，刀具位置和走刀次數(shù)也對(duì)加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有較大影響。對(duì)于薄壁銑削而言，繪制傳統(tǒng)的穩(wěn)定性葉瓣圖，已經(jīng)不能精確地預(yù)測銑削過程的穩(wěn)定性。

再生型顫振簡化模型如圖1所示。

圖1 薄壁件再生型顫振發(fā)生模型示意圖

2 穩(wěn)定性分析與工藝優(yōu)化的關(guān)系

顫振穩(wěn)定性分析研究內(nèi)容主要為構(gòu)造顫振銑削模型和穩(wěn)定性葉瓣圖，預(yù)測銑削過程穩(wěn)定性邊界，劃分出穩(wěn)定銑削區(qū)域和顫振銑削區(qū)，進(jìn)而供加工人員選擇合適的銑削參數(shù)，通過降低顫振，以提高工件的表面精度。

復(fù)雜曲面薄壁件工藝優(yōu)化主要為優(yōu)化薄壁件的加工余量，以增加零件-機(jī)床的模態(tài)參數(shù)，進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的整體剛度，實(shí)現(xiàn)對(duì)顫振的抑制。顫振抑制理論是從理論分析上研究顫振，通過得到極限切深，來指導(dǎo)實(shí)際加工，主要參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速、切深。而工藝優(yōu)化大多是從提高系統(tǒng)的剛度出發(fā)，提高切削系統(tǒng)的極限切深，使得傳統(tǒng)的切深落在穩(wěn)定域內(nèi)，從而達(dá)到無顫振切削的目的。

3 顫振穩(wěn)定性分析

3.1 時(shí)域法

時(shí)域法是指在時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)銑削穩(wěn)定性進(jìn)行分析的方法，通過對(duì)原始時(shí)滯微分方程進(jìn)行近似，構(gòu)造有限維單值算子，借助極限逼近無限維單值算子，以此來提高計(jì)算速度。

針對(duì)復(fù)雜曲面薄壁件顫振的抑制，廣大學(xué)者在時(shí)域內(nèi)開展了許多研究。

WU S[1]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了兩端固定薄壁件的非線性銑削顫振穩(wěn)定性判據(jù)，以薄壁零件的振動(dòng)信號(hào)為研究對(duì)象，對(duì)不同加工參數(shù)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析，并討論了最大李雅普諾夫指數(shù)與主軸轉(zhuǎn)速、銑削深度變化的關(guān)系，最后以最大李雅普諾夫指數(shù)為判據(jù)，利用輪廓法和全離散法確定了銑削顫振穩(wěn)定域；但是文中將薄壁件兩端固定，機(jī)床-工件的剛度已經(jīng)發(fā)生改變，無法代表銑削薄壁件時(shí)的工況。

LIU W W[2]通過建立薄壁銑削過程動(dòng)力學(xué)的單自由度動(dòng)力學(xué)模型，采用離散化方法對(duì)該模型的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上得到了不同銑削階段的模態(tài)參數(shù)，并提出了主軸轉(zhuǎn)速的共振區(qū)，利用顫振穩(wěn)定域?qū)Σ煌娤麟A段的銑削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了不同銑削階段的穩(wěn)定域疊加區(qū)；但是其建立薄壁件的單自由度系統(tǒng)并不是三維甚至多維度銑削工藝系統(tǒng)，因此，建立的穩(wěn)定域也無法精確反應(yīng)工件的顫振穩(wěn)定性極限。

ZHANG X[3]建立了銑削過程薄壁零件三維動(dòng)力學(xué)模型，采用全離散解析法驗(yàn)證了銑削加工過程主軸轉(zhuǎn)速與顫振臨界軸向切深之間存在非線性關(guān)系，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)顫振穩(wěn)定性影響較明顯，當(dāng)系統(tǒng)模態(tài)質(zhì)量、阻尼比及固有頻率增大時(shí)，顫振穩(wěn)定域相應(yīng)變大，同時(shí)，葉瓣圖形狀分布隨之改變；構(gòu)建了薄壁件銑削加工時(shí)的三維工藝系統(tǒng)，考慮工件-刀軸方向的振動(dòng)，并將刀具子系統(tǒng)和工件子系統(tǒng)均考慮其中，預(yù)測效果較好。

WANG T Y[4]基于機(jī)床-工件系統(tǒng)兩個(gè)垂直方向的角度，分析了薄壁工件的動(dòng)態(tài)銑削模型，在2A12鋁合金高速銑削過程中，提出了基于慣性效應(yīng)修正的補(bǔ)償方法，得到了精確的切削力系數(shù)，并將加工系統(tǒng)分為“主軸-刀具”和“工件-夾具”兩個(gè)子系統(tǒng)，通過模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)，得到了兩個(gè)子系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，得到了2A12薄壁工件高速銑削時(shí)的穩(wěn)定域；該研究雖然通過慣性效應(yīng)修正的補(bǔ)償方法，精確預(yù)測了切削力系數(shù)，但在構(gòu)造工藝系統(tǒng)時(shí)，未能考慮工件-刀軸方向的振動(dòng)。

ZHANG Zhan[5]提出了一種將銑削系統(tǒng)浸入粘性流體中，以減小薄壁工件顫振的新方法，通過研究粘性流體對(duì)銑削力系數(shù)的影響，分別在干燥和粘性條件下確定了薄壁工件的模態(tài)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在粘性流體條件下銑削力系數(shù)顯著降低，在粘性流體條件下銑削系統(tǒng)的阻尼顯著增大，銑削系統(tǒng)的固有頻率減?。蛔詈?，其通過一系列銑削試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性。

MA J[6]提出了一種新的動(dòng)態(tài)分析模型，來確定阻尼因子對(duì)薄壁工件加工動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，通過設(shè)計(jì)磁流變液柔性夾具，來抑制加工過程中的加工振動(dòng)；提出了用于動(dòng)態(tài)響應(yīng)預(yù)測的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)方程的一般動(dòng)態(tài)切削力模型和阻尼力模型，用以評(píng)價(jià)有阻尼控制和無阻尼控制銑削過程的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[5-6]均是通過改變銑削系統(tǒng)的外部環(huán)境來抑制顫振的發(fā)生，雖然可以明顯降低切削過程中的顫振，但試驗(yàn)條件較為苛刻，大規(guī)模試用還尚待時(shí)日。

SONG Q H[7]介紹了一種預(yù)測薄壁工件高速銑削過程動(dòng)態(tài)穩(wěn)定極限的方法，該方法考慮了工件的動(dòng)態(tài)特性隨刀具位置或加工時(shí)間而變化，分析了系統(tǒng)模態(tài)特征隨刀具位置變化的曲線方程，通過掃描加工過程中工件沿被加工方向的動(dòng)態(tài)特性和離散法建模，得到了薄壁件穩(wěn)定性葉瓣圖，證明了薄壁工件在銑削過程中，隨著材料的去除其穩(wěn)定性極限曲線是動(dòng)態(tài)的時(shí)變曲線，通過時(shí)刻預(yù)測工件的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁件穩(wěn)定域精確預(yù)測；但是該研究計(jì)算和推導(dǎo)過程較為復(fù)雜。

典型三維顫振穩(wěn)定域如圖2所示。

圖2 薄壁件三維顫振穩(wěn)定域

JU Gang-gang[8]針對(duì)如何識(shí)別銑削過程的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)特性，提出了一種變質(zhì)量結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)修正方法，用于預(yù)測復(fù)雜曲面多軸銑削薄壁工件的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)特性。該方法考慮了工件的動(dòng)力學(xué)特性隨刀具位置和材料去除量的變化，將材料切削過程視為切削系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)修正。利用擴(kuò)展的舍曼-莫里森-伍德伯里公式，可以估計(jì)出切削系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)特性，從而得到修正后的頻響函數(shù)(FRF)；通過補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ看巫叩督Y(jié)束都會(huì)修正工件子系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。但是，該方法所利用的公式，只能估計(jì)出瞬時(shí)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，誤差雖然在允許范圍內(nèi)，但在薄壁件精加工階段，其預(yù)測的精度尚欠提高。

3.2 頻域法

頻域法又稱解析求解法，是在頻域內(nèi)對(duì)銑削穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并求解的方法。目前，頻域法有零階頻率法(ZOA)和多頻域法(MF)兩種。

李忠群[9]根據(jù)柔度耦合結(jié)構(gòu)分析(RCSA)技術(shù)獲得了機(jī)床-刀具系統(tǒng)刀位點(diǎn)的動(dòng)態(tài)特性，采用經(jīng)典的零階頻域法(ZOA)方法近似得到了與某一刀位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性葉瓣圖(SLD)，通過考慮不同軸向切削深度對(duì)應(yīng)的實(shí)際刀尖位置，以及刀尖位置對(duì)預(yù)測SLD的影響，獲得了具有較大軸向切削深度的銑削加工的SLD；零階頻域法雖然精度不高，但對(duì)于薄壁件粗加工階段已經(jīng)可以很好抑制顫振。

SINGH K K[10]通過有限元法模態(tài)分析，得到了微型銑刀的頻響函數(shù)，并將模態(tài)分析得到的頻響函數(shù)與實(shí)驗(yàn)得到的頻響函數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)高速微銑削過程中的顫振進(jìn)行了預(yù)測；但是研究中，在對(duì)微型銑刀和刀柄進(jìn)行分析時(shí)，忽略了薄壁件自身具有的弱剛性，若考慮工件的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)進(jìn)行分析，就可十分精準(zhǔn)地預(yù)測顫振穩(wěn)定域。

LI Z[11]提出了一種直接利用加工系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)，快速預(yù)測穩(wěn)定性波瓣圖的方法，利用單自由度模態(tài)參數(shù)估計(jì)方法直接通過頻響函數(shù)估計(jì)了銑削系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，利用刀尖的頻響函數(shù)直接繪制出了穩(wěn)定波瓣圖，并對(duì)3種不同刀具的加工中心的加工性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，確定了相應(yīng)的優(yōu)化切削條件；該研究通過控制變量分別研究模態(tài)參數(shù)對(duì)穩(wěn)定域的影響，忽略了模態(tài)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)，而且單自由度模態(tài)參數(shù)法雖然簡單方便，但對(duì)薄壁件精加工階段并不適用，只能適用于薄壁件粗加工階段。

牛興華等[12]通過模態(tài)試驗(yàn)和銑削力辨識(shí)試驗(yàn)，基于Matlab對(duì)立式加工中心穩(wěn)定域進(jìn)行了研究，得到了立式加工中心銑削穩(wěn)定性葉瓣圖，根據(jù)顫振穩(wěn)定域選取相應(yīng)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其可靠性；但是文中對(duì)穩(wěn)定域建模仍停留在X,Y兩個(gè)方向上，并且尚未考慮零件的弱剛性，對(duì)于復(fù)雜曲面薄壁件顫振預(yù)測精度較低，有待改進(jìn)。

頻響函數(shù)和葉瓣圖兩者關(guān)系如圖3所示。

圖3 頻響函數(shù)與葉瓣圖關(guān)系

李宏坤等[13]通過有限元仿真模擬實(shí)際銑削過程，得到了銑削力大小以及銑削力系數(shù)，同樣通過模態(tài)試驗(yàn)獲取了主軸-刀具系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，再以銑削系數(shù)和模態(tài)參數(shù)為基礎(chǔ)，完成了基于銑削力仿真的穩(wěn)定域葉瓣圖構(gòu)建；但是該研究中所建立的顫振穩(wěn)定域，由于忽略了工件動(dòng)態(tài)特性和刀具位置，只適用于平面銑削。

杜洪等[14]利用模態(tài)實(shí)驗(yàn)和銑削力實(shí)驗(yàn)，得到了特定刀具和工件系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)和銑削力系數(shù)，并結(jié)合完全平均和峰值平均兩種算法，建立了顫振穩(wěn)定性邊界曲線，從而得到了銑削工藝參數(shù)；但其建立的穩(wěn)定性模型為單自由度模型，而且試驗(yàn)驗(yàn)證在三軸機(jī)床上完成，對(duì)于指導(dǎo)復(fù)雜曲面薄壁件無顫振切削，目前仍有一定的誤差。

朱立達(dá)等[15]在頻域內(nèi)，針對(duì)正交車銑復(fù)雜運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生變深度和厚度的特性，把工件-刀軸方向的振動(dòng)考慮在內(nèi)，提出了三維顫振穩(wěn)定性的理論模型，為薄壁件顫振抑制提供了理論基礎(chǔ)；該研究雖然將機(jī)床主軸-工件方向考慮在內(nèi)，但在構(gòu)建傳遞函數(shù)時(shí)，忽略了機(jī)床-工件的傳遞函數(shù)，對(duì)薄壁件穩(wěn)定性預(yù)測精度仍存在欠缺。

BUDAK E等[16]基于薄壁件的有限元模型，利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修正法，根據(jù)刀具位置確定了每一個(gè)周期內(nèi)刀具位置上被切削的工件，預(yù)測了薄壁工件在加工過程中的動(dòng)態(tài)特性，該方法可精確檢測到與刀具位置對(duì)應(yīng)的極限切深和主軸轉(zhuǎn)速，適用于復(fù)雜曲面薄壁件的穩(wěn)定性預(yù)測。

刀位點(diǎn)帶入穩(wěn)定域計(jì)算如圖4所示。

圖4 考慮刀位點(diǎn)實(shí)時(shí)三維穩(wěn)定域

3.3 試驗(yàn)法與顫振在線監(jiān)測

試驗(yàn)法是通過切削試驗(yàn)來獲取機(jī)床-刀具-工件顫振穩(wěn)定域的方法。其大致思路為固定主軸轉(zhuǎn)速，然后沿著刀具進(jìn)給方向改變軸向切深，通過麥克風(fēng)或者聲傳感器拾取切削噪聲信號(hào)，當(dāng)顫振發(fā)生時(shí)停止切削，進(jìn)而獲取顫振發(fā)生時(shí)的極限切深。改變主軸轉(zhuǎn)速，重復(fù)上述步驟，就可以獲取特定材料和特定刀具的穩(wěn)定性葉瓣圖。

DELIO T[17]通過對(duì)各種傳感器的比較，表明麥克風(fēng)是一種很好的顫振檢測和控制傳感器，比較了麥克風(fēng)和其他一些常見的傳感器(位移探頭和加速度計(jì))在檢測不穩(wěn)定銑削方面的性能，結(jié)果表明：各類傳感器在復(fù)雜情況下，麥克風(fēng)信號(hào)用來識(shí)別顫振更為優(yōu)越，但由于選擇對(duì)比傳感器較少，并不能反應(yīng)麥克風(fēng)面對(duì)所有傳感器的優(yōu)勢，而且目前激光等位移傳感器精度更高。

LAMRAOUI M[18]提出了一種新的計(jì)算機(jī)數(shù)控銑床顫振檢測方法，該方法的創(chuàng)新之處在于僅利用電機(jī)機(jī)箱采集的電機(jī)電流信號(hào)和人工智能對(duì)顫振進(jìn)行監(jiān)測，利用支持向量機(jī)(SVM)將所選特征分為了穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩類，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，智能顫振檢測對(duì)切削狀態(tài)的識(shí)別精度達(dá)到了96%以上；但是文中對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練需要大量時(shí)間，計(jì)算過程繁瑣而且需要大量理論支持，適用于特定復(fù)雜曲面薄壁件的加工。

QUINTANA G[19]提出了一種用于銑削加工中穩(wěn)定性葉瓣圖識(shí)別的實(shí)驗(yàn)方法，該方法基于經(jīng)驗(yàn)測試，工件允許在進(jìn)給方向上的軸向切削深度逐漸增加，表示它們?cè)谶M(jìn)給方向上的坐標(biāo)，而主軸轉(zhuǎn)速也逐漸增加，在這過程中一旦檢測到顫振，就會(huì)中斷切削過程，識(shí)別出穩(wěn)定與不穩(wěn)定切削的邊界，即穩(wěn)定葉瓣圖；但該方法基于經(jīng)驗(yàn)法，只適用于沒有技術(shù)和理論支持的中小型企業(yè)。

FRIEDRICH J[20]提出了一種在線獲取和監(jiān)測顫振穩(wěn)定域的方法，該方法允許在生產(chǎn)過程中計(jì)算SLD，根據(jù)加工過程中測量到的振動(dòng)信號(hào)來估計(jì)穩(wěn)定邊界，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行了連續(xù)訓(xùn)練，并提出了一種信任準(zhǔn)則，用于判斷算法的預(yù)測效果；雖然該方法可以為很多企業(yè)很好解決顫振穩(wěn)定域問題，但其分析基準(zhǔn)函數(shù)和建立的二自由度銑削系統(tǒng)，忽略了工件具有弱剛性的特性，對(duì)復(fù)雜曲面薄壁件并不具備較好適用性。

費(fèi)仁元等[21]分析了現(xiàn)有的顫振監(jiān)控方法的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢，提出了通過基于智能材料主動(dòng)控制切削系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性來進(jìn)行顫振在線抑制的新方法；但智能材料條件苛刻，只能對(duì)特種材料具有較好的顫振抑制，對(duì)于航空航天等固定材料的銑削加工，仍無法解決。

從上述文獻(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于復(fù)雜曲面薄壁件顫振控制理論的研究，無論是改變切削環(huán)境，還是對(duì)工藝系統(tǒng)在線監(jiān)測，越來越多的學(xué)者考慮工件的弱剛性和刀位點(diǎn)，并且將工件切削時(shí)材料移除對(duì)機(jī)床-工件的工藝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響考慮在內(nèi)，建立了實(shí)時(shí)精確的三維穩(wěn)定性葉瓣圖。而且在此基礎(chǔ)上，如何簡化算法和提高計(jì)算效率，仍是目前建立復(fù)雜曲面薄壁件穩(wěn)定域急需解決的問題。

4 顫振抑制工藝優(yōu)化策略

銑削加工中，工藝系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性與加工余量的分布形式密切相關(guān)，尤其對(duì)于薄壁零件而言。采用非均勻的加工余量可以形成對(duì)加工過程的自位支撐，從而改善工藝系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性(模態(tài)傳參數(shù)：頻率、阻尼比、剛度等)，提高加工過程的穩(wěn)定性。

針對(duì)復(fù)雜曲面薄壁件銑削過程產(chǎn)生的再生型顫振，張定華等[22]提出了一種基于切削顫振控制的加工余量設(shè)計(jì)方法，將穩(wěn)定切削參數(shù)考慮到加工余量設(shè)計(jì)之中，通過計(jì)算得到了滿足穩(wěn)態(tài)切削的非均勻加工余量，該方法不僅提高了薄壁零件的剛性，還有效地減小銑削顫振；但該研究并未深入分析和解釋非均勻余量設(shè)計(jì)增加系統(tǒng)哪些參數(shù)，只對(duì)葉片的固有頻率作出了簡要分析，對(duì)剛度和阻尼比等尚未作出深入研究。

REN J X等[23]基于剛度優(yōu)化和材料去除工序優(yōu)化的原則，對(duì)薄壁件采用非均勻余量設(shè)計(jì)和螺旋銑削工藝技術(shù)，提高了薄壁構(gòu)件的剛度；但是對(duì)于復(fù)雜曲面，螺旋銑削編程要求高，而且對(duì)刀具磨損嚴(yán)重，因此，目前尚未得到推廣。

TIAN W等[24]基于薄壁工件的結(jié)構(gòu)剛度和模態(tài)有限元分析，借助特征值靈敏度分析方法，確定并優(yōu)化了半精加工薄壁工件的余量分布狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了提高薄壁零件加工本身剛度的目標(biāo)；但研究中特征值靈敏度分析法中的模型修正問題未能得到很好的解決，仍存在誤差。

LUO M等[25]提出了一種對(duì)稱螺旋銑削方法，通過釋放葉片兩側(cè)的殘余應(yīng)力，以控制加工變形，該方法在加工過程中葉片兩邊都留有非均勻余量，以增加剛性和抑制顫振；但是對(duì)于葉片兩邊都保持非均勻余量，會(huì)增加葉片精加工的時(shí)間，進(jìn)而降低加工效率，因此在保證抑制顫振的基礎(chǔ)上，非均勻余量加厚應(yīng)盡可能的小。

ZHOU X[26]提出了一種基于單線刀具軌跡的切削參數(shù)優(yōu)化選擇方法，以抑制切削顫振，通過對(duì)葉輪葉片進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)葉片表面易引起加工變形和振動(dòng)的不穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行了預(yù)測，基于此建立了三維穩(wěn)定波瓣圖，提出了基于單線軌跡的切削參數(shù)優(yōu)化方法，對(duì)某種單一薄壁件具有較好的效果；但是目前，對(duì)于五軸數(shù)控加工，單線刀具軌跡尚不適用，因此并未得到普及。

JIANG L[27]提出了一種切削力-掃描面積模型，通過進(jìn)給量，使切削力的控制轉(zhuǎn)化為掃描面積率(SAR)，該方法還可以將不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)分解為更多的微連續(xù)旋轉(zhuǎn)，或根據(jù)刀具軸線與加工公差的幾何關(guān)系調(diào)整刀具軸線方向，從而改善微角度不連續(xù)或往復(fù)旋轉(zhuǎn)等不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

對(duì)于復(fù)雜曲面薄壁件抑制顫振的工藝優(yōu)化方面，主要有兩種方式：

(1)優(yōu)化刀具軌跡，進(jìn)而降低切削力，達(dá)到減小顫振；

(2)改變工件傳統(tǒng)加工工藝，采用不同加工余量，以此增加機(jī)床-工價(jià)工藝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性(剛度、阻尼比等)，使得工件的極限切深提高。

基于以上的研究，本文提出了一種非均勻余量工藝優(yōu)化策略，改進(jìn)傳統(tǒng)整體式葉輪的加工工藝，針對(duì)軸流式整體葉輪提出了非均勻余量工藝優(yōu)化策略，極大地提高了機(jī)床-葉片工藝系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，降低再生型顫振的發(fā)生[28-32]。

優(yōu)化方案和穩(wěn)定域提高如圖5所示。

圖5 非均勻余量優(yōu)化策略工藝與穩(wěn)定域

均勻余量精加工跟非均勻余量精加工相比，在加工效率得到大幅度提高的同時(shí)，加工質(zhì)量和加工精度也得到了改善。

從圖5(b)可以得出：非均勻余量葉片加工時(shí)，對(duì)于相同的主軸轉(zhuǎn)速，軸向切深更大，對(duì)于同樣的切深，主軸轉(zhuǎn)速可選擇范圍更廣，可明顯提高加工效率和抑制顫振。

5 結(jié)束語

基于再生型顫振，本文結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)復(fù)雜曲面薄壁件顫振抑制技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析；歸納和分析了構(gòu)建穩(wěn)定性葉瓣圖三大研究方法和相關(guān)工藝優(yōu)化策略，并對(duì)目前復(fù)雜曲面薄壁件銑削顫振存在的難點(diǎn)進(jìn)行了探討，最后通過分析影響薄壁件顫振穩(wěn)定性的因素，提出了整體式葉輪五軸加工非均勻余量工藝優(yōu)化策略，提高了機(jī)床-工件系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了降低顫振，提高精度的要求。

作為目前顫振穩(wěn)定性分析的難點(diǎn)，今后研究方向仍從以下4個(gè)方面入手：

(1)機(jī)床-刀具方面，考慮刀具-工件方向的振動(dòng)，建立三維穩(wěn)定域分析模型，這是目前大多數(shù)國內(nèi)研究人員仍未解決的一個(gè)難題；

(2)機(jī)床-工件方面，將弱剛性的機(jī)床-工件工藝系統(tǒng)加入整個(gè)工藝系統(tǒng)進(jìn)行分析，并考慮材料去除和刀具位置對(duì)工件模態(tài)參數(shù)的影響；

(3)工藝優(yōu)化方面，應(yīng)在增加工件剛性的前提下，盡可能地減小預(yù)留量，以提高精加工階段的效率；

(4)改變切削環(huán)境，以增加銑削系統(tǒng)的穩(wěn)定性。