试析薄壁结构件铣削加工稳定性

方泽华

（广州市机电高级技工学校，广东 广州 510000）

现阶段的金属切削过程中，最普遍的加工工艺是铣削。在铣削过程中，常用立铣刀，而在薄壁零件加工过程中，立铣刀可沿刀刃切削出不同的三维切削效果。铣削加工过程的稳定性与整个薄壁结构组件铣削加工过程的质量息息相关，但在薄壁结构组件铣削加工工艺流程主要受两个方面的因素影响，即铣削过程刀具、工件的作用力和工艺系统的动态特征。因此，对这两方面的因素进行试验和分析，对于薄壁结构件铣削加工的稳定性提升有重大意义。

1 铣削加工颤振理论分析及试验

1.1 建立动力学模型

为了提升该动力学模型的真实性，可模拟薄壁加工的实际情况，然后对整个铣削加工系统进行相应简化，从而对薄壁多框结构件在铣削加工过程中发生的颤振、强度对薄壁结构件稳定性的影响程度进行详细分析。而其主要受工件自身的参数和铣削加工程度的影响，同时，由于铣削加工过程较为复杂，因此，在实验过程中动态模型建立的基础上，可作出以下假设：在铣刀进给的X方向以刀具中心轴线为依据，然后以相应的角度旋转，旋转频率逐渐提升，记录增长幅度，并计算每个节点的位移；经过多次旋转以后，旋转角度为B，可设置旋转次数为C，多次重复试验直至得出加工工件的各处移动位移，而薄壁结构件的颤振会逐步增加移动位移数据；统一计算受力和位移数值，将薄壁梁作为研究对象。由于薄壁梁横向振动前几阶振幅大于梁纵向振幅，而固有频率则远小于纵向固有频率，因此，可将薄壁梁横向的固有频率忽略不计。

薄壁梁横向振动微分方程为：

式（1）中：x为工件位置的横向坐标；t为横向切削力。

薄壁梁横向振动微分示意图如图1所示。

图1 薄壁梁横向振动微分示意图

依据动态切削模型可得出切削力与切削厚度成正比。切削力公式为：

式（2）中：n为螺旋角。

为了进一步确定螺旋圆柱立铣刀的动态切削力，可将螺旋圆柱立铣刀分解为成长度为△z的微元段；而垂直于平面的摩擦力=切削与刀齿摩擦系数×（切削刀刃方向剖面切向力×cos刀齿背面角-切削刀刃法向剖面径向力×sin刀齿背面角），其中，切削刀刃法向剖面径向力为法向切削力系数/径向切削力系数×切削刃法向剖面切向力。同理，在薄壁铣削加工过程中可将工件视为刚体，假定动态固有频率不变、薄壁固梁两端的刚度无穷大，切入角和切出角不变，转速均为6 000 r/min，可得出铣削加工参数中，轴向切深可随着每齿进给量的增加而变化，比如每齿进给量为0.102 mm，而轴向切深会在0.10～0.26 mm。在非稳态的薄壁梁铣削模拟情况下，假定阻尼比均为0.04，当固有频率微为581 Hz时，等效刚度在 1.66×106～7.56×109，等效质量为 0.13～566.8；而当固有频率为 1 603 Hz时，等效刚度为 1.45×107～4.51×1020，等效质量为 0.144 5～4.35×1012.

1.2 结论分析

通过构建动态模型以及模拟可得出，薄壁切削单各切削周期系统较为稳定，而通过对薄壁铣削等效刚度、质量的动态模拟数据可得出当工件在轴向切深为0.22 mm时处于稳定状态，而轴向切深为0.25 mm时系统处于非稳定的周期运动，因此在薄壁结构件的铣削加工过程中，薄壁梁铣削三维稳定性主要受径向切深的刚度影响，而随着固支梁刚度的加大，系统的非线性特征会减弱，进而影响系统的稳定性。

2 铣削加工稳定性技术探究

2.1 薄壁侧壁铣削加工优化

现阶段，薄壁结构件的铣削加工易出现非稳定性的环节主要有薄壁结构的腹板加工、圆角加工及薄壁结构的侧壁加工。在薄壁结构侧壁加工过程中，保持铣削过程的稳定性非常重要，可通过保持铣削过程中整体零件的刚性提升整体薄壁侧壁的稳定性。在薄壁结构件的铣削加工过程中，可根据实际情况设定合理的铣削范围，可选择相应的铣刀，然后采用小轴向切深分层、大径向切深的加工模式。对于较深的型腔，可适当增加刀具的径向，然后在铣削加工过程中根据实际需要，逐步调整刀具的悬身长度，降低薄壁侧壁颤振。同时，为了保持薄壁侧壁铣削加工的稳定性，也可以采用平行双主轴加工方案。一般为了增加薄壁零件加工的精确性，可同时应用两把立铣刀，需要注意的是，立铣刀的悬伸长度、回转角度需要一致，但刀刃方向相反，通过平行双主轴加工方案的实施可有效解决薄壁加工过程中的变形问题，且可以增加薄壁结构加工的精确度，但由于平行双主轴加工过程中对机床的双主轴的距离需要严格规定，加之机床双主轴间距控制作业工序较多，制约了平行双主轴加工的大面积使用。

2.2 圆角加工优化方案

一般而言，薄壁圆角加工过程中常采用等切加工模式，但在这个加工过程中存在一些弊端，即薄壁铣削刀具加工中在圆角的切削力与直边的切削力差异过大，因此，在圆角加工过程中可将圆角刀具进一步优化，即在等切厚铣削过程中，可将刀具的切入角适当变化。由薄壁刀具铣削的公式可得，切入角的余弦为：1减去圆角铣削时的径向切深除以铣刀半径的数值，然后再减去圆角铣削时的径向切深除以铣刀半径与圆角铣削时的径向切深一半的差值，最后除以铣刀半径与刀具中心轨迹在圆角处的半径的乘积。由此可知，直边铣削时的径向切深与圆角铣削时的径向切深相等时，薄壁铣削时的切削力会随着切入角的变化而出现一定规律的变化，导致刀具圆角加工时出现失误、薄壁圆角加工出现问题，因此，可以通过减小刀具在有直边转入圆角的径向切深，或保持立铣刀铣削切入角不变。同时，由于立铣刀的尺寸会不断变化，即随着铣削加工过程中铣刀与薄壁组件的摩擦力的增加而产生颤振，因此，在薄壁加工过程中需要注意最大限度地缩短铣刀的悬伸长度，或增加薄壁组件自身的刚性，从而减小铣削加工时对薄壁结构件的冲击力。

2.3 薄壁结构腹板加工优化

薄壁结构腹板主要分为无支撑的腹板加工、有支撑的腹板加工两种，对于无腹板加工的薄壁结构件可利用零件结构中没有加工的部分来扶持零件的加工部分，即在无腹板薄壁结构将铣削加工过程中，可以从结构件的中间位置切入，然后向四周逐渐延伸，直至到达薄壁侧壁，或采用加强立铣刀的刚性、保持刀具的轨迹一致等方法降低铣削过程中颤振的频率，保持薄壁结构件铣削加工的稳定性。而对于有辅助支撑的薄壁结构件的腹板加工，可以通过增加薄壁腹板厚度或填充基座等方式提高腹板本身结构的强度。

3 结束语

总而言之，由于薄壁结构件铣削加工过程中薄壁结构件的自身特性提升了颤振概率，影响了薄壁结构件的加工过程，因此，对薄壁结构件铣削加工过程中颤振幅度的影响因素进行分析，在薄壁结构件铣削加工中主要受铣刀纵向切深的影响，薄壁结构的腹板加工、圆角刀具加工、侧壁加工过程中应注意维持铣刀切入的稳定及悬伸长度，从而保证薄壁结构件铣削加工的稳定性。

［1］蒋宇平，龙新华，孟光.薄壁结构件铣削加工振动稳定性分析［J］.振动与冲击，2016，35（02）：45-50.

［2］张小俭，熊蔡华.柔性结构铣削时滞工艺系统的稳定性理论与实验研究［J］.机械工程学报，2014（10）：190.