常州专业刀具提示 机床—刀具系统稳定域分析

在相控阵雷达的精密构件中，有许多深腔薄壁且很小内圆角的壳体类构件。此类壳体零件是相控阵雷达的核心功能单元，内部安装了多种高频微波电路和微电子器件。其壳体表面粗糙度、底面平面度直接影响内置电子器件的接地与冷却效果，壳体零件外形尺寸的一致性又直接影响壳体组件的互换性。因此，对这类深腔壳体零件的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度都有很高的要求。

　　在这类零件的机械加工中，要用到很多细长刀具，即大长径比刀具，而细长的大长径比刀具拥有刚性差的特性。在使用大长径比刀具切削的过程中，如果加工参数选择不当，将出现刀具让刀引发的零件尺寸偏差，以及刀具产生切削颤振导致的零件加工面切削振纹，这些势必降低零件尺寸精度和表面质量。在常规的生产中，机械加工的切削参数主要依赖经验和零件的试切获得。在加工精密深腔薄壁壳体零件初期，由于加工工艺参数选择不当，深腔薄壁零件的内侧产生严重的切削振纹，后虽经反复试切获得新的切削参数，能加工出合格零件，但加工稳定性较差，零件加工合格率和加工效率较低。这些促使我们考虑借助先进的科学手段获取优化的数控加工切削工艺参数。利用先进的切削过程动力学仿真优化技术，借助创建数学模型、工程测试分析和仿真，通过对相关的切削机床进行动力学测试，以及对精密深腔薄壁壳体零件进行动力学仿真。在少量试验验证的基础上，快速获取精密深腔壳体等零件在不同加工阶段的切削稳定域和优化的切削参数。避免加工过程中刀具的颤振，显著提高零件表面质量、产品合格率和加工效率。

　　1数控加工工艺参数动力学仿真优化系统的组成基于动力学仿真数控加工工艺参数优化系统的组成如所示，主要包括：（1）建立系统实验模态分析测试平台，进行模态参数辨别实验，测试切削机床―刀具的动力学特性；（2）建立零件不同加工阶段的仿真分析模型，分析其对应的动力学特性；（3）借助“铣削过程动力学仿真优化系统”综合确定不同刀具长径比，不同加工阶段情况下加工系统的切削稳定域和优化的切削参数。其作用是：合理选择切削参数，有效地抑制细长刀具切削颤振现象，提高零件的加工质量和加工效率。

　　2深腔薄壁零件动力学特性仿真分析零件系统的模态参数对于整个切削系统（机床―刀具―零件系统）颤振稳定域的确定有着重要的作用。考虑到零件的固有频率会随着零件几何形状的不同而改变，建立精密深腔壳体零件不同加工阶段的仿真分析模型，利用美国MSC/NASTRAN /MARC等CAE软件，按照实际装夹方式对工件进行约束，通过有限元模态仿真分析，获取各个阶段的工件动力学特性和工件系统的模态参数，为切削稳定域的计算提供基础数据。

　　如所示的薄壁深腔零件，在零件加工的初始阶段，零件的刚性很好，即零件的固有频率很高。对该零件来说，到加工后期，零件驱于变薄，随之零件的刚性减弱，在加工过程中可能会引起零件的颤振。所以重点考虑加工到最终阶段时的工件刚性。加工后期的零件半成品如所示。此时零件留有少量的加工余量，采用压板压紧的装夹方案。经过MSC软件分析，前10阶模态如所示。这个阶段的加工是铣去加工余量获得最终零件。

　　从模态分析结果看，前两阶固有频率低于1 000 Hz，在高速切削时，有可能引起颤振。从振型云图来看，有较明显的局部模态，这与该约束方式是局部压紧有关，使得工件某些位置振动较大，在实际加工时，考虑增大压板与工件的接触面积，在一定程度上限制局部模态。而在后续确定加工颤振稳定域及优化切削参数时，需要考虑该零件的动力学特性。

　　3切削机床动力学特性测试切削机床动力学特性测试可分为软件和硬件两大部分。其中，硬件部分主要用于对机床进行振动模态实验。

　　振动模态分析的根本目的在于找到激励与响应之间的动力学关系，建立能够反映系统本身固有动力学特性的模型。为了准确地仿真出在铣削加工过程中刀具的振动情况，需要获得准确的反映刀具响应的预测模型或频率响应函数φ（ jω）。在切削颤振稳定域分析过程中，加工系统传递函数分析是稳定域分析的基础。机床系统动力学特性分析主要针对“机床―刀具”系统的振动模态加以研究，并在此基础上进行综合分析。

　　对于“机床―刀具”系统而言，考虑到机床与刀具系统的复杂性，不适合于通过仿真分析的方法来获得模态参数。故通过对“机床―刀具”系统中的铣刀刀尖部分进行力锤冲击实验。通过模态参数辨别方法获得频率响应实验数据，计算出实际系统的固有频率ωn、阻尼比ξ、刚度系数k等动力学模型参数，从而得到反映实际“机床―刀具”系统的传递函数，为加工稳定域的计算提供必要的条件。模态分析结果如所示，并对系统进行颤振稳定域分析。

　　4机床―刀具系统颤振稳定域分析采用北京航空航天大学自主开发的“铣削过程动力学仿真优化系统”软件，通过对数台机床的颤振稳定域仿真结果的对比分析，可以发现刀具悬伸量变化严重影响整个机床系统的动态性能，相同直径、材质的刀具，当其悬伸量不同时，其颤振稳定域的最小极限切深相差很大，各稳定瓣所对应的主轴转速范围也不同。

　　在同一台机床上，相同直径、材质的铣刀，颤振稳定域的最小极限切深将随着悬伸量的增加而减小；颤振稳定域的主稳定瓣将随着悬伸量的增加由高速段向低速段偏移，这种趋势在悬伸量相差较大时更加显著。当刀具悬伸量达到一定值以后，“机床―刀具”系统的动态性能也发生特殊变化。

　　5实验验证针对某雷达精密薄壁深腔壳体零件（腔深52 mm，腔壁厚度1. 2 mm ）加工时出现切削振纹的问题，在对零件动力学特性分析、加工机床和刀具动力学测试的基础上，进行加工系统的颤阵稳定域的仿真分析，其中机床和刀具分别为：机床型号：M IKRON HSM700、刀具（复合刀具的发展与应用）型号： FRA ISA、圆柱螺旋立铣刀的材质：硬质合金、直径=10 mm、刀齿数=2、悬伸量=61. 6 mm.仿真结果如所示。

　　从仿真得到的机床―刀具颤振稳定域图谱分析，如所示的优化工艺参数：主轴转速N = 22 000～23 000 r/min；进给速度V f = 4 500 （mm /min） ；轴向切深A p≤1. 5 mm；径向切深A e≤5 mm.在前期加工上述精密深腔薄壁壳体零件时，通过试切选用的工艺参数：主轴转速N =16 000 r/min；进给速度V f =8 000 mm /min；轴向切深A p = 0. 8～1 mm；径向切深A e = 0. 1～0. 6 mm.这组加工参数值落在仿真图谱次选稳定域的边缘。稳定域分析图谱清晰地解释了为什么在加工该精密深腔薄壁壳体零件时加工性能不稳定，零件侧壁易出现振纹的原因。

　　根据该稳定域分析图谱提供的优选稳定域进行加工验证，当参数锁定在主轴转速N = 22 000 r/min；进给速度V f = 4 500 mm /min；轴向切深A p = 1. 40 mm；径向切深A e = 4. 00 mm.不仅提高了该精密深腔薄壁壳体零件的加工质量稳定性、使零件的加工合格率提高到95%以上。而且改变了长期以来认定的高速铣必须采用高速度、少切削的理念。在提高主轴转速的情况下，加大刀具的切削量，充分利用刀具的侧刃进行加工，能显著提高切削效率。

　　所示的颤振稳定域图谱中标出了采用动力学仿真前后两组加工数据，左边的一组数据是我们根据经验通过试切获得的数据，右边两组数据是参照颤振稳定域图谱进行试切的数据。从切削参数获取情况和试验结果看，通过动力学仿真途径获取的数控加工切削参数更快捷，更优化。不仅保证精密深腔零件的加工质量，还提高了零件的加工效率。

　　6结语

　　为了快速确定合理的精密深腔薄壁零件铣削加工工艺参数，借助动力学仿真的数控加工工艺参数优化方法，通过建立铣削过程动力学系统实验模态分析测试平台，测试具体加工机床和不同长径比的刀具的动力学特性，再应用"切削过程动力学仿真优化系统"获取特定机床不同刀具特性、不同加工阶段的加工系统切削稳定域和优化的切削参数。

　　在某雷达精密深腔壳体等零件的数控加工中，借助动力学仿真的数控加工工艺参数优化方法，提高了零件材料的去除效率，有效抑制了细长刀具切削颤振现象，解决了精密深腔薄壁壳体零件铣削加工时侧壁产生切削振纹的难题。其产品合格率达到95%以上，加工效率提高30% ，优化切削参数获取时间为常规试切的1/3.