鈦合金銑削中的顫振問題是制約加工效率的一大瓶頸

鈦合金一直被廣泛應用于航空制造工業，其具有比強度大、密度小、耐熱性強以及耐低溫等優良綜合性能，用它制造飛機零部件，不僅可以延長飛機使用壽命，而且可以減輕重量，降低燃料消耗，從而大大提高其飛行性能。但鈦合金同時是一種典型的難加工材料，其導熱性差、化學活性高、加工硬化嚴重、刀具壽命短，并且由于單位切削力大、加工過程中極易發生顫振，顫振給工件留下的斜狀振紋，往往需要手工珩磨去除，影響加工效率，嚴重的直接導致工件報廢，甚至毀壞刀具，鈦合金加工的顫振問題，是制約航空制造質量和效率的一大瓶頸。控制顫振的方法一般均可歸結為增加系統阻尼。切削系統阻尼可分為機床結構阻尼和由刀具后刀面與工件表面相互干涉而產生的阻尼，亦稱為過程阻尼（process damping）。過程阻尼的建模和標定是近年國際學術界的研究熱點，加拿大著名學者Altintas曾將其列為切削顫振中尚未解決的研究難點。

最早發現切削加工中的過程阻尼現象，隨著切削速度降低，車削加工的穩定性極限可顯著提高。還歸納出，切削速度、刀具后角和刃口半徑是影響過程阻尼的關鍵因素。后來諸多學者針對過程阻尼進行研究，指出后刀面與工件表面振動波紋干涉形成的作用力是過程阻尼的來源。文獻通過一系列正交試驗，識別動態切削力中的過程阻尼系數，該試驗由快速伺服系統控制，使得刀具以預期頻率和振幅振蕩，但該試驗系統較為復雜，工作量很大。克服了試驗建模的弱點，在過程阻尼建模和系數標定方面，進行了較為細致的工作。文獻將正交車削的穩定性極限預測解析法和顫振實驗相結合，利用二者獲取的極限切深，直接標定過程阻尼系數。基于此，又結合能量分析，獲取侵入力系數，之后計算侵入面積和切削力，建立車削的穩定性分析模型。文獻系統分析了切削參數和刀具幾何參數對過程阻尼的影響。基于小振幅假設，將過程阻尼等效為線性粘性阻尼，利用半離散法，計算銑削穩定性極限，該模型具有一定局限性，預測出的穩定性極限低于實驗值。

目前，國際上對于過程阻尼的研究，主要集中在車削方面，對于銑削加工的過程阻尼，尚缺少完善的動力學分析模型。其自由度多，受力分析需要坐標轉換，切削力方程中存在時變系數，對于侵入面積和過程阻力的描述遠較車削困難。而國內尚未有學者對過程阻尼進行深入研究，在目前現有文獻中，切削穩定性分析均采用較為傳統的線性模型，未考慮過程阻尼，該模型在低速區會產生很大誤差。而對于鈦合金加工來說，為保證刀具壽命，切削速度一般較低，這時如果還采用常規的線性模型，預測的極限切深遠低于實際極限切深，勢必會影響加工效率。鑒于此問題，需建立一考慮過程阻尼的銑削動力學模型，利用隱式四階龍格庫塔法，計算典型鈦合金加工時，刀具后刀面與工件振動波紋的侵入面積以及干涉阻力，繪制穩定性極限圖。最終結合實驗得出結論，本文所建非線性模型，能夠較為準確地預測低速區的穩定性極限，為鈦合金加工參數的選擇提供了參考。