基于CutPro的切削顫振抑制研究

摘要：針對(duì)航空鋁合金結(jié)構(gòu)件在切削加工過(guò)程中易發(fā)生切削顫振，導(dǎo)致零件表面質(zhì)量以及精度不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，本文研究金屬零件切削加工顫振的產(chǎn)生機(jī)理和抑制方法，提出基于CutPro切削動(dòng)力學(xué)仿真軟件的切削顫振抑制方法。分析刀具顫振穩(wěn)定性葉瓣圖，對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。切削試驗(yàn)驗(yàn)證了參數(shù)優(yōu)化的有效性，優(yōu)化后的切削參數(shù)能夠顯著降低切削顫振的發(fā)生頻率，提高零件表面質(zhì)量。本文研究為航空制造型企業(yè)提供了一種簡(jiǎn)單、高效并實(shí)用的鋁合金切削顫振抑制方法，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值很高。

關(guān)鍵詞：航空鋁合金結(jié)構(gòu)件；國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)；切削顫振；CutPro；參數(shù)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TG54""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在航空工業(yè)中，鋁合金質(zhì)量輕，強(qiáng)度和耐蝕性高，鑄造和塑性加工性能優(yōu)秀，因此廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)件制造。在國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的制造過(guò)程中，鋁合金材料地位十分重要。

在切削過(guò)程中，切削顫振是一種常見(jiàn)的自激振動(dòng)現(xiàn)象。切削系統(tǒng)通常由機(jī)床、刀具、零件和夾具組成，切削系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性不穩(wěn)定以及不恰當(dāng)?shù)那邢鲄?shù)會(huì)產(chǎn)生切削顫振現(xiàn)象。切削顫振不僅直接影響零件的表面質(zhì)量和加工精度，而且可能引發(fā)刀具磨損、機(jī)床故障等一系列問(wèn)題。這些問(wèn)題不僅增加制造成本，還可能延長(zhǎng)制造周期，對(duì)航空制造企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，研究和解決航空鋁合金切削顫振問(wèn)題能夠提升產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率，推動(dòng)航空制造技術(shù)發(fā)展。

1切削顫振研究現(xiàn)狀

切削顫振產(chǎn)生的原理可以分為摩擦顫振、振型耦合顫振以及再生顫振[1-3]。徐興等[4]利用Altintas再生型切削顫振預(yù)測(cè)理論建立了切削穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型，根據(jù)試驗(yàn)和參數(shù)分析系統(tǒng)探討了模態(tài)剛度、固有頻率、阻尼比和切削系數(shù)對(duì)切削穩(wěn)定性的影響，優(yōu)化切削工藝，提高生產(chǎn)效率。DING等[5]采用零階頻域法，結(jié)合有限元分析，分階段獲取零件在銑削過(guò)程中的模態(tài)參數(shù)，構(gòu)建了薄壁件銑削的三維顫振穩(wěn)定域模型。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷地發(fā)展，工程需求日益增長(zhǎng)，切削動(dòng)力學(xué)仿真軟件在金屬切削加工領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，成為優(yōu)化切削參數(shù)、提高加工質(zhì)量和效率的重要工具。王開(kāi)發(fā)[6]使用AdvantEdge軟件基于復(fù)雜曲面薄壁件五軸數(shù)控加工的仿真結(jié)果和頻域法建立了動(dòng)力學(xué)模型，利用模態(tài)分析和顫振穩(wěn)定域構(gòu)建驗(yàn)證了非均勻余量工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性與有效性。韓旭[7]利用CutPro切削動(dòng)力學(xué)仿真軟件計(jì)算顫振穩(wěn)定域，求解機(jī)床最佳主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和切削深度，提高表面質(zhì)量和材料去除率，延長(zhǎng)刀具和主軸壽命。盧輝[8]利用CutPro獲得穩(wěn)定域葉瓣圖，以切削時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，以切削深度、主軸轉(zhuǎn)速和每齒進(jìn)給量為試驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)三因素四水平的正交試驗(yàn)，獲得最佳工藝參數(shù)。

本文研究航空鋁合金零件基于CutPro的切削顫振抑制方法，根據(jù)具體切削實(shí)例驗(yàn)證該方法的有效性，為航空制造型企業(yè)提供一種簡(jiǎn)便、高效且實(shí)用的鋁合金切削顫振抑制方案。

2基于CutPro的切削顫振抑制方法

利用CutPro分析航空鋁合金零件在切削過(guò)程中的顫振現(xiàn)象，繪制顫振穩(wěn)定性葉瓣圖，優(yōu)化切削參數(shù)，達(dá)到抑制顫振的目的，具體方法如下。首先，針對(duì)發(fā)生顫振現(xiàn)象的零件進(jìn)行敲擊試驗(yàn)。在刀具或零件表面安裝加速度傳感器，使用力錘對(duì)刀具進(jìn)行敲擊，測(cè)量并記錄刀具、機(jī)床、零件和夾具組成的系統(tǒng)在不同頻率中的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。其次，利用CutPro對(duì)收集的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線。分析這條曲線，使用CutPro計(jì)算系統(tǒng)的固有頻率、阻尼比和剛度等模態(tài)參數(shù)。固有頻率是當(dāng)沒(méi)有外部激勵(lì)作用時(shí)系統(tǒng)自然振動(dòng)的頻率，其與系統(tǒng)對(duì)不同頻率外部激勵(lì)的響應(yīng)特性有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。阻尼比反映了系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)的阻尼能力，即系統(tǒng)振動(dòng)能量隨時(shí)間衰減的速度，它與系統(tǒng)振動(dòng)的穩(wěn)定性和衰減程度有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。剛度為當(dāng)系統(tǒng)受到外力作用時(shí)抵抗變形的能力，體現(xiàn)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

在獲得模態(tài)參數(shù)后，結(jié)合刀具的具體參數(shù)（例如刀具材料、幾何形狀等）以及當(dāng)前的切削參數(shù)（例如切削速度、進(jìn)給量和切削深度等），利用CutPro繪制系統(tǒng)的顫振穩(wěn)定性葉瓣圖，展示在不同切削參數(shù)條件下系統(tǒng)的顫振穩(wěn)定邊界。根據(jù)葉瓣圖可知在當(dāng)前切削參數(shù)條件下系統(tǒng)是否容易發(fā)生顫振，找到使系統(tǒng)處于穩(wěn)定切削狀態(tài)的參數(shù)范圍。

根據(jù)葉瓣圖對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。利用CutPro切削仿真直觀展示切削參數(shù)優(yōu)化后顫振抑制的效果。

3基于CutPro的切削顫振抑制實(shí)例試驗(yàn)分析

本文的研究對(duì)象為國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919某鋁合金結(jié)構(gòu)件。在實(shí)際加工生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)精加工該零件底角以及轉(zhuǎn)角時(shí)發(fā)生了顫振現(xiàn)象，底角以及轉(zhuǎn)角加工表面產(chǎn)生了較為明顯的振紋（如圖1所示）。在銑削加工過(guò)程中，主軸-刀柄-刀具系統(tǒng)（Spindle-Toolholder-tool System，SHT）具有高柔性，因此成為影響加工穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在精加工底角前零件整體結(jié)構(gòu)剛性較好，因此，下文將重點(diǎn)研究SHT的動(dòng)力學(xué)特性，尋找有效抑制切削顫振的方法。

3.1利用敲擊試驗(yàn)獲得系統(tǒng)頻響曲線

利用系統(tǒng)動(dòng)態(tài)剛度隨頻率變化的曲線圖來(lái)表示系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，表現(xiàn)了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，繪制穩(wěn)定性葉瓣圖是分析系統(tǒng)模態(tài)、研究顫振抑制方法的基礎(chǔ)。

采用沖擊式力錘敲擊刀具，對(duì)系統(tǒng)施加瞬態(tài)激勵(lì)，激發(fā)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在刀具敲擊點(diǎn)背面安裝加速度計(jì)來(lái)測(cè)量這個(gè)響應(yīng)，這種響應(yīng)直接反映機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。CutPro通過(guò)加速度傳感器獲取加速度信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行2次積分處理，轉(zhuǎn)換為位移數(shù)據(jù)，結(jié)合敲擊力測(cè)量結(jié)果得到頻率響應(yīng)函數(shù)。

在銑削加工過(guò)程中，在X、Y和Z3個(gè)方向，SHT系統(tǒng)都具有柔性。在Z方向結(jié)構(gòu)剛性更大，因此當(dāng)端銑刀銑削時(shí)，只需要考慮XY平面中的柔性。在這種情況下，可以忽略Z方向的動(dòng)力學(xué)特性。

3.2模態(tài)參數(shù)分析

模態(tài)參數(shù)例如固有頻率、阻尼比以及模態(tài)剛度等能夠完整描述系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，揭示系統(tǒng)在不同頻率中的響應(yīng)特性和振動(dòng)模態(tài)。分析這些參數(shù)，深入了解系統(tǒng)的穩(wěn)定性、阻尼效應(yīng)以及頻率響應(yīng)等性質(zhì)，為后續(xù)的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。如圖2（a）所示，以SHT系統(tǒng)X方向（進(jìn)給方向）的頻率響應(yīng)函數(shù)為例，選取峰值點(diǎn)進(jìn)行模態(tài)分析，峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的共振頻率即固有頻率。固有頻率是模態(tài)參數(shù)中的一個(gè)重要指標(biāo)，它描述了當(dāng)自由振動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的頻率特性。對(duì)頻響曲線進(jìn)行濾波擬合，去除噪聲和干擾信號(hào)，提高分析的準(zhǔn)確性和可靠性，擬合后的頻率響應(yīng)函數(shù)如圖2（b）所示。分析計(jì)算擬合后多個(gè)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的模態(tài)參數(shù)，得到SHT系統(tǒng)多個(gè)模態(tài)中的固有頻率、阻尼比以及模態(tài)剛度等，模態(tài)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.3穩(wěn)定性葉瓣圖分析

通過(guò)上文實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析繪制SHT系統(tǒng)的穩(wěn)定性葉瓣圖。穩(wěn)定性葉瓣圖是研究顫振的重要方法，它表示機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速與切削深度之間有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，展示了當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速與切削深度不同時(shí)系統(tǒng)的顫振穩(wěn)定邊界。穩(wěn)定性葉瓣圖可以直觀地指導(dǎo)工藝人員選擇合適的切削參數(shù)，有效減少切削顫振。

使用CutPro進(jìn)行刀具配置，精加工底角刀具規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表2，設(shè)置切削條件參數(shù)，包括主軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向、銑削模式、進(jìn)給率、仿真的最大轉(zhuǎn)速以及徑向切寬等。

導(dǎo)入系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，得到刀具-機(jī)床系統(tǒng)的顫振穩(wěn)定性葉瓣，如圖3所示。橫軸為主軸轉(zhuǎn)速，縱軸為切深，深色區(qū)域?yàn)榍邢鞣€(wěn)定區(qū)域，當(dāng)進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化選擇時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇深色區(qū)域內(nèi)的主軸轉(zhuǎn)速與切深組合。

3.4切削參數(shù)優(yōu)化以及仿真

在原切削過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)速為9000r/min，當(dāng)加工底角時(shí)的切深接近5.4mm。這組切削參數(shù)落在圖3中的點(diǎn)1處，即深色穩(wěn)定區(qū)域外。這表明在該切削參數(shù)條件下容易發(fā)生切削顫振，這與原切削結(jié)果一致。本研究使用的機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速為20000r/min。參考顫振穩(wěn)定性葉瓣圖對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。將切深降至3mm，將主軸轉(zhuǎn)速提高至18000r/min。優(yōu)化后的切削參數(shù)落在圖3中的點(diǎn)2處，即深色穩(wěn)定區(qū)域。利用CutPro切削模塊對(duì)優(yōu)化前后在2組切削參數(shù)條件下的零件表面粗糙度進(jìn)行仿真分析。在原切削參數(shù)條件下底角的表面狀態(tài)如圖4（a）所示，其表面粗糙度較高，存在明顯不平整區(qū)域。優(yōu)化主軸轉(zhuǎn)速和切深后底角的表面狀態(tài)如圖4（b）所示，其表面質(zhì)量顯著提升，表面平整光滑。

3.5優(yōu)化驗(yàn)證試驗(yàn)以及結(jié)果分析

采用優(yōu)化后的切削參數(shù)，即主軸轉(zhuǎn)速18000r/min、切削深度3mm，進(jìn)行實(shí)際切削驗(yàn)證。零件底角和轉(zhuǎn)角處平整光滑，未出現(xiàn)切削顫振現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期的效果（參數(shù)優(yōu)化后切削效果如圖5所示）。

4結(jié)論

本文對(duì)國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919某鋁合金結(jié)構(gòu)件在切削加工過(guò)程中出現(xiàn)的切削顫振問(wèn)題進(jìn)行研究，提出一種基于CutPro切削動(dòng)力學(xué)仿真軟件的切削顫振抑制方法。該方法針對(duì)發(fā)生顫振現(xiàn)象的零件，利用CutPro敲擊試驗(yàn)獲得機(jī)床、刀具、零件和夾具組成的切削系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線，計(jì)算切削系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，結(jié)合刀具參數(shù)以及切削參數(shù)繪制切削系統(tǒng)的顫振穩(wěn)定性葉瓣圖，優(yōu)化切削參數(shù)，利用圖表直觀展示切削參數(shù)優(yōu)化后顫振抑制的效果。進(jìn)行切削試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化后的切削參數(shù)能夠顯著降低切削顫振的發(fā)生頻率，提高零件表面質(zhì)量。

本研究為航空制造型企業(yè)提供了一種簡(jiǎn)單、高效、實(shí)用的鋁合金切削顫振抑制方法，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值很高。同時(shí)，本研究為進(jìn)一步深入研究和優(yōu)化航空鋁合金切削加工過(guò)程提供參考。

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