減振銑刀切削鈦合金TB6顫振和切削力分析

(北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京，100191)

鈦合金具有強度高、韌性高和耐腐蝕性強等優(yōu)良特性，在航空航天、醫(yī)療器械和汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]，但是，鈦合金熱導(dǎo)率低，彈性模量小，化學(xué)活性高等導(dǎo)致其可加工性差，這些不利因素會導(dǎo)致切削溫度高、切削力大和變形系數(shù)小，影響零件加工質(zhì)量[2]。TB6 (Ti-10V-2Fe-3Al)是一近β 型鈦合金，具有強度高、韌性高和良好熱處理性能等優(yōu)點[3]，被廣泛應(yīng)用于飛機起落架、引擎機艙和尾翼等零件的制造[4]。在1907年，顫振作為一種加工現(xiàn)象由TAYLOR提出[5]，從20世紀(jì)50年代學(xué)者們開始廣泛研究顫振[6]。顫振是切削過程中的自激振動，顫振對零件表面完整性、刀具磨損和機床損壞等都有影響，可降低工件加工表面質(zhì)量，加速刀具磨損，甚至可能對機床造成損壞[7]。為降低切削過程中的顫振，很多學(xué)者對此進行了研究，其中使用最廣泛的方法是根據(jù)穩(wěn)定葉瓣圖來優(yōu)化切削條件[8]。FENG等[9]在切削TC4鈦合金薄壁件時根據(jù)穩(wěn)定葉瓣圖選擇合適的切削參數(shù)來避免顫振。OTTO等[10]通過穩(wěn)定葉瓣圖分析了不等齒距銑刀和變螺旋銑刀在一定切削參數(shù)范圍內(nèi)的顫振穩(wěn)定性。另外，通過增加機床、刀具或工件阻尼[11]和改變機床主軸轉(zhuǎn)速[12]也可以減小顫振。穩(wěn)定葉瓣圖對切削參數(shù)進行了限制，只有在此范圍內(nèi)的切削參數(shù)才能有效地抑制顫振，超出此范圍則不能避免顫振。增加阻尼可以減小振動，但需要安裝阻尼裝置，增加成本。降低主軸轉(zhuǎn)速雖然可以降低振動，但會減小材料去除率，影響切削效率。增大切削速度后會增加切削溫度，TB6鈦合金的高化學(xué)活性和低熱導(dǎo)率特性會對表面質(zhì)量和刀具磨損等產(chǎn)生不利影響。由于變螺旋角、變齒距銑刀在較低的切削速度時仍然可有效地抑制顫振[13]，因此，在不改變切削速度的前提下，采用變螺旋角、變齒距銑刀來減小振動和提高切削穩(wěn)定性是一種較為經(jīng)濟的方法。SLAVICEK[14]最驗證了變齒距銑刀的抑制振動效果，ALTINTAS等[15]研究了變齒距銑刀的切削穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)變齒距銑刀加工可以有效地抑制顫振。TURNER 等[16]提出分析模型來預(yù)測變螺旋角銑刀的切削穩(wěn)定性，通過比較變齒距銑刀的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)變螺旋角銑刀比變齒距銑刀的穩(wěn)定性更好。HUANG等[17]在加工航空鈦合金薄壁零件時發(fā)現(xiàn)變齒距立銑刀比等齒距立銑刀減振效果明顯。許晉等[18]采用變螺旋角和標(biāo)準(zhǔn)立銑刀切削薄壁件研究了減振銑刀的減振特性，發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)銑刀相比，變螺旋角銑刀可以顯著降低切削過程中的振動。切削力直接影響銑削加工的工件精度、表面質(zhì)量、切削系統(tǒng)振動、切削功率和刀具壽命，尤其當(dāng)?shù)毒邘缀涡螤顝?fù)雜時更為明顯[19]。切削力受到一系列因素的影響，如刀具幾何結(jié)構(gòu)、工件材料特性和切削條件等[20]，加工時還會引起振動[21]。HUANG 等[17,22]在加工鈦合金時通過對切削力進行時域分析和頻域分析，發(fā)現(xiàn)變齒距立銑刀不僅比標(biāo)準(zhǔn)銑刀減振效果明顯，而且其徑向力與標(biāo)準(zhǔn)銑刀和變螺旋角銑刀相比也最小。綜上所述，鈦合金TB6是典型的難加工材料，顫振和切削力對鈦合金銑削加工時的工件表面質(zhì)量和刀具壽命等有重要影響，改變銑刀幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)是一種經(jīng)濟、有效地抑制顫振的方法。本文采用標(biāo)準(zhǔn)銑刀、變螺旋角和變齒距銑刀切削鈦合金TB6，研究切削速度、銑刀磨損和刀具幾何結(jié)構(gòu)對顫振和切削力的影響，以便為低速精加工鈦合金TB6的加工工藝提供參考。

1 試驗設(shè)計

試驗使用變螺旋角、變齒距和標(biāo)準(zhǔn)立銑刀加工鈦合金TB6，3 種銑刀的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 3種銑刀幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)Table1 Geometry parameters of three types of milling cutter

除螺旋角和齒距外，3種銑刀的橫截面幾何參數(shù)一致，如圖1所示。

圖1 3種銑刀橫截面幾何參數(shù)Fig.1 Cross section of three types of milling cutters

在干銑條件下側(cè)銑工件，銑削方式為逆銑。工件長×寬×高為70.0 mm×57.5 mm×35.0 mm，工件材料均為經(jīng)過鍛造處理的鈦合金TB6。鈦合金TB6的化學(xué)成分如表2所示[23]。鈦合金TB6室溫下的機械性能如表3[23]所示。

表2 TB6的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table2 Chemical composition of TB6(mass fraction)%

表3 TB6在室溫下的機械性能Table3 Mechanical properties of TB6 at room temperature

采用型號為BV75 的數(shù)控機床銑削長×寬為70 mm×35 mm 的工件側(cè)面，采用型號為Dino-Lite AM7013MZT顯微鏡觀察銑刀磨損，磨損量采用銑刀后刀面的磨損帶寬度表示。首先，對每個銑刀切削刃后刀面磨損帶寬度測量5次，然后，對測量的4個切削刃后刀面磨損帶寬度均值處理，求解銑刀的磨損量。采用型號為VM45-1QZH的壓電式加速度傳感器和型號為CL-YD-3310的壓電式測力儀測量3種銑刀磨損量分別為0.1，0.2和0.3 mm時的加速度和切削力。切削試驗采用的切削參數(shù)如表4所示。

表4 銑刀磨損試驗切削參數(shù)Table4 Cutting parameters of milling cutter wear test

在切削過程中，切削深度和切削寬度保持恒定，3種銑刀的懸伸量均為40 mm。顫振切削試驗的振動測量裝置如圖2所示。

圖2 振動和切削力測量裝置Fig.2 Measuring device of vibration and cutting force

顫振切削試驗中的切削系統(tǒng)模態(tài)通過錘擊試驗測量，3 種銑刀的切削系統(tǒng)模態(tài)相同。其中工件-測力儀-工作臺的一階模態(tài)為469 Hz，銑刀-主軸系統(tǒng)的一階模態(tài)為216 Hz。

2 試驗結(jié)果

2.1 共振

在不同切削參數(shù)下，標(biāo)準(zhǔn)銑刀、變螺旋角和變齒距銑刀的磨損量Wl分別達(dá)到0.1，0.2和0.3 mm時的振動頻譜如圖3、圖4和圖5所示。圖中的表示最大顫振。

由圖3、圖4和圖5可見：切削試驗中的最大振動頻率距離這2個模態(tài)較遠(yuǎn)，并在最大振動處沒有發(fā)生共振。在這2 個模態(tài)附近有頻率近似的振動，但是振動加速度不大，因此，試驗中發(fā)生了較小的共振。

2.2 顫振的影響因素

2.2.1 切削速度

圖6所示為不同磨損量下3 種銑刀的顫振隨切削速度變化。由圖6(a)可見：標(biāo)準(zhǔn)銑刀在磨損量分別達(dá)到0.1，0.2 和0.3 mm 時，隨著切削速度從25 m/min 提高到35 m/min，最大顫振的振動加速度一直增大。比較圖6中磨損量分別為0.1，0.2 和0.3 mm 的折線斜率，發(fā)現(xiàn)它們并不相同，說明切削速度在影響顫振的同時，銑刀磨損和切削速度的交互作用也在影響顫振。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)銑刀振動頻譜Fig.3 Vibration spectrums of standard milling cutter

由圖6(b)可見：在切削速度從25 m/min 提高到35 m/min 過程中，變螺旋角銑刀在磨損量達(dá)到0.1 mm 時最大顫振的振動加速度先增大后減小。當(dāng)磨損量分別達(dá)到0.2 和0.3 mm 時，最大顫振的振動加速度一直增大。比較圖6(b)中折線的斜率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磨損量分別為0.1，0.2 和0.3 mm時的折線斜率都不一樣，說明顫振受到磨損與切削速度交互作用的影響。尤其是當(dāng)切削速度由30 m/min 提高到35 m/min 時，磨損量為0.1 mm 時的折線斜率與磨損量為0.3 mm 時的折線斜率相差最大。由此可見：銑刀磨損與切削速度的交互作用導(dǎo)致變螺旋銑刀在磨損量達(dá)到0.1 mm、切削速度由30 m/min提高到35 m/min時顫振減小。

由圖6(c)可見：在變齒距銑刀在磨損量分別為0.1，0.2 和0.3 mm 時，隨著切削速度從25 m/min提高到35 m/min，最大顫振的振動加速度一直增大。圖6(c)中不同磨損量的折線斜率接近。由此可見：對于變齒距銑刀，切削速度對顫振產(chǎn)生影響時，銑刀磨損和切削速度交互作用的影響不明顯。

2.2.2 銑刀磨損

圖5 變齒距銑刀振動頻譜Fig.5 Vibration spectrums of variable pith milling cutter

圖6 不同磨損量下3種銑刀的顫振隨切削速度變化Fig.6 Chatter of three types of milling cutters varied with cutting speed at different wear amount

圖7所示為不同切削速度下3種銑刀的顫振隨磨損量變化。由圖7可見：標(biāo)準(zhǔn)銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀在切削速度分別為25，30 和35 m/min 時，最大顫振的振動加速度都隨著磨損量增加而增大。圖7中不同切削速度的折線斜率都不相同，說明3種銑刀的磨損對顫振產(chǎn)生影響的同時，切削速度與磨損交互作用也對顫振造成影響。由圖7(b)可見：當(dāng)磨損量由0.1 mm增大到0.2 mm，切削速度分別為30 m/min 和35 m/min 時，折線斜率差別最大。這說明變螺旋角銑刀在這個階段受切削速度與磨損的交互作用影響最大。

2.2.3 刀具幾何結(jié)構(gòu)

圖8所示為銑刀幾何結(jié)構(gòu)對顫振的影響。由圖8可見：在切削速度為30 m/min、磨損量為0.1 mm時，變齒距銑刀的顫振小于變螺旋角銑刀的顫振，但總體上在相同切削速度和磨損量下，標(biāo)準(zhǔn)銑刀的顫振最大，變齒距銑刀的顫振次之，變螺旋角銑刀的顫振最小。

相對于標(biāo)準(zhǔn)銑刀，變齒距銑刀的不同齒距可產(chǎn)生不同相位的切削運動，從而抑制顫振。對于變螺旋角銑刀，與標(biāo)準(zhǔn)銑刀相比，除齒距不同外，螺旋角會導(dǎo)致工作前角發(fā)生變化，削弱切削力的周期性波動，從而減小顫振。

2.3 切削力的影響因素

2.3.1 切削速度

圖9所示為不同磨損量下3種銑刀的切削力隨切削速度變化。由圖9(a)和(c)可見：標(biāo)準(zhǔn)銑刀和變齒距銑刀在磨損量分別為0.1，0.2 和0.3 mm 時，隨著切削速度從25 m/min 提高到35 m/min，切削力不斷增大。由圖9(b)可見：變螺旋角銑刀在磨損量為0.1 mm 時，隨著切削速度從25 m/min 提高到35 m/min，切削力先減小后增大。在磨損量分別為0.2和0.3 mm時，隨著切削速度從25 m/min提高到35 m/min，切削力一直增大。圖9中不同磨損量的折線斜率都不相同，說明切削速度對切削力產(chǎn)生影響的同時，銑刀磨損與切削速度交互作用也對切削力產(chǎn)生影響。

2.3.2 銑刀磨損對切削力的影響

圖7 不同切削速度下3種銑刀的顫振隨磨損量變化Fig.7 Chatter of three types of milling cutters varied with the amount of wear at different cutting speeds

圖8 銑刀幾何結(jié)構(gòu)對顫振的影響Fig.8 Influence of geometric structure of three types of milling cutters on chatter

圖10所示為不同切削速度下3 種銑刀的切削力隨磨損量變化。由圖10可見：在切削速度分別為25，30 和35 m/min，磨損量從0.1 mm 提高到0.3 mm 時，標(biāo)準(zhǔn)銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀的切削力逐漸增大。由圖10中不同切削速度的折線斜率差異可知，銑刀磨損對切削力產(chǎn)生影響的同時，切削速度與銑刀磨損的交互作用也對切削力產(chǎn)生影響。

2.3.3 刀具幾何結(jié)構(gòu)

圖9 不同磨損量下3種銑刀的切削力隨切削速度變化Fig.9 Cutting forces of three types of milling cutters varied with the cutting speed at different wear amount

圖10 不同切削速度下3種銑刀的切削力隨磨損量變化Fig.10 Cutting forces of three types of milling cutters varied with the amount of wear at different cutting speeds

圖11 相同切削速度下3種銑刀切削力隨磨損量變化Fig.11 Cutting force of three types of milling cutter varied with the amount of wear at same cutting speeds

圖11所示為相同切削速度下3 種銑刀切面削力隨磨損量變化。由圖11可見：在不同的切削速度和磨損量下，總體上，變齒距銑刀的切削力為最大時的情況居多。在特定的切削速度和磨損量下，標(biāo)準(zhǔn)銑刀的切削力最大，例如在切削速度為25 m/min、磨損量為0.3 mm 時，變螺旋角銑刀與標(biāo)準(zhǔn)銑刀的切削力在不同的切削速度和磨損量下變化規(guī)律不一致。在磨損量都為0.2 mm 時，切削速度為25 m/min 時，變螺旋角銑刀的切削力小于標(biāo)準(zhǔn)銑刀的切削力，但在切削速度為35 m/min 時變螺旋角銑刀的切削力卻大于標(biāo)準(zhǔn)銑刀的切削力。銑刀磨損后刀齒后刀面與工件的接觸面積增大導(dǎo)致擠壓力增大，由于標(biāo)準(zhǔn)銑刀、變螺旋角銑刀和變齒距銑刀的刀具幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，造成銑刀在相同磨損量下擠壓力存在差異。同時，由于銑刀磨損導(dǎo)致徑向切深減小，造成切削力減小。這些原因造成了3種銑刀在不同切削速度和磨損量下的切削力變化規(guī)律不一致。

3 結(jié)論

1)3種銑刀的顫振和切削力都隨切削速度提高而增大。切削速度對顫振和切削力產(chǎn)生影響的同時，銑刀磨損與切削速度的交互作用也對顫振和切削力產(chǎn)生影響。

2)3種銑刀的顫振和切削力都隨銑刀磨損量增加而增大。顫振和切削力受銑刀磨損影響的同時，也受到切削速度與銑刀磨損的交互作用的影響。

3)刀具幾何結(jié)構(gòu)對顫振的影響顯著。刀具幾何結(jié)構(gòu)造成的擠壓力出現(xiàn)差異，同時，銑刀磨損產(chǎn)生的徑向切深減小也會影響切削力，因此，刀具幾何結(jié)構(gòu)對切削力影響的規(guī)律性不顯著。