劉曉瑩 柳曉川

摘要：隨著數(shù)控制造技術(shù)的發(fā)展，薄壁零件由于具備占有空間小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、耗材小等特點(diǎn)，在滿足工件的設(shè)計(jì)性能要求，即保證材料強(qiáng)度和剛度的技術(shù)指標(biāo)要求下，廣泛地被應(yīng)用在航天航空、精密機(jī)械、檢測(cè)儀器、模具和汽車等機(jī)械制造行業(yè)設(shè)備產(chǎn)品中。

關(guān)鍵詞：薄壁零件;穩(wěn)定性;加工;影響因素

1.薄壁零件加工穩(wěn)定性

零件的加工往往考慮精度和加工效率兩個(gè)方面，首先是零件切削過(guò)程的穩(wěn)定性，保證零件加工精度，其次充分發(fā)揮機(jī)床的性能以提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。為了減少切削過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象，切削系統(tǒng)無(wú)顫振的穩(wěn)定切削往往限制了機(jī)床自身諸多先進(jìn)性能的發(fā)揮。機(jī)床-刀具-零件切削系統(tǒng)在構(gòu)建數(shù)學(xué)模型時(shí)，一般假設(shè)機(jī)床是剛性的，刀具-零件之間的切削力動(dòng)態(tài)模型成二階振蕩環(huán)節(jié)形式。實(shí)際上薄壁零件的切削過(guò)程不僅與切削位置的變化、刀具-零件振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量和彈性模量有關(guān)，而且與刀具、薄壁零件的固有頻率密切相關(guān)。

1.1刀具-零件振蕩系統(tǒng)的建立

在刀具切削力的作用下，薄壁零件發(fā)生彈性變形，刀具刀齒的切入切出使零件受力進(jìn)行周期性變化，隨著不斷高速切削，零件厚度降低，刀具與工件之間摩擦力的作用大小和方向也會(huì)發(fā)生變化，對(duì)刀具-零件系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響越來(lái)越大，為方便進(jìn)行力學(xué)描述和數(shù)學(xué)表示，刀具-零件切削系統(tǒng)簡(jiǎn)化為質(zhì)量、彈簧和阻尼三個(gè)要素。

圖1-1所示的刀具-零件振蕩系統(tǒng)模型

由圖1-1所示的刀具-零件振蕩系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，建立單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程并進(jìn)行拉氏變換后，整理得刀具-零件振蕩系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為為：

式中：y（t）為在運(yùn)動(dòng)方向上的振動(dòng)位移;

F（t）為薄壁零件動(dòng)態(tài)切削力;?

m為刀具-零件系統(tǒng)的等效質(zhì)量;

c為刀具-零件系統(tǒng)的等效阻尼;

k為刀具-零件系統(tǒng)的等效剛度;

，為刀具-零件振蕩系統(tǒng)的固有頻率。

1.2薄壁零件切削的穩(wěn)定條件?

通過(guò)建立刀具切削力模型，獲得刀具-零件振蕩系統(tǒng)的最大軸向切削深度與系統(tǒng)、刀具、零件固有頻率的穩(wěn)定性關(guān)系，計(jì)算公式如下：

式中：為切向切削力系數(shù)，y方向積分系數(shù)。

從上式可以看出，薄壁零件的壁厚加工的穩(wěn)定性取決于切削力的激勵(lì)頻率、切削系統(tǒng)固有頻率。由于構(gòu)建刀具-零件振蕩系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時(shí)，假定零件是剛性的，實(shí)際上加工的穩(wěn)定性隨薄壁零件的固有頻率的降低，也會(huì)產(chǎn)生顫振現(xiàn)象。特別是高速加工技術(shù)，當(dāng)切削力的激勵(lì)頻率的諧波頻率與薄壁零件固有頻率接近時(shí)，就會(huì)引起切削力的不穩(wěn)定，造成強(qiáng)烈的振動(dòng)，破壞薄壁零件的加工質(zhì)量。

2.薄壁零件加工的影響因素

2.1薄壁零件低頻加工的影響因素

零件的精度和表面粗糙度主要取決于加工的工藝參數(shù)，相對(duì)于高速加工技術(shù)，也無(wú)顯著表面硬化現(xiàn)象。因此在普通數(shù)控加工過(guò)程中，低頻加工增加了薄壁零件的切削穩(wěn)定性，減小了加工溫度、表面硬化的影響。薄壁零件的彈塑性變形主要取決于加工切削力的大小。

2.2影響薄壁零件數(shù)控加工的工藝參數(shù)

薄壁零件的加工的影響因素很多，主要包括零件的材料和結(jié)構(gòu)形式、加工切削力、裝夾方式、走刀路徑等幾個(gè)方面，還涉及到切削熱、殘余應(yīng)力、表面硬化、刀具的幾何參數(shù)等因素。

2.2.1薄壁零件材料和結(jié)構(gòu)形式的影響

不同的材料可加工性是不同的，在加工過(guò)程中切削力和產(chǎn)生的切削熱也是不同的，從而導(dǎo)致工件的尺寸變化也是不同的;材料相同的零件，結(jié)構(gòu)不同時(shí)，比如有加強(qiáng)筋的薄壁件和沒(méi)有加強(qiáng)筋的薄壁件，用相同的加工工藝加工后的尺寸變化也是不同的。

2.2.2切削力的影響

薄壁零件加工在切削過(guò)程中盡量保持金屬切除率的穩(wěn)定性、保持切削載荷的恒定。薄壁零件的加工是斷續(xù)的，影響切削力交變的原因主要是：一是切削量隨著刀具的切削刃切人和切出發(fā)生周期性變化，頻率為以刀齒整數(shù)倍的交變，切削力主要由切削參數(shù)決定，減小吃刀量可以減小變形;二是由于切削過(guò)程中存在機(jī)床-刀具-零件的系統(tǒng)振動(dòng)產(chǎn)生的切削力交變分量。當(dāng)加工進(jìn)給速度提高時(shí)，對(duì)機(jī)床的固有頻率提出更高要求，高速加工中由于顫振引起的切削力變化遠(yuǎn)高于平均銑削力，同樣避免系統(tǒng)固有頻率附近發(fā)生顫振。

2.2.3裝夾的影響

裝夾是機(jī)械加工中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，它不僅要保證工件在機(jī)床上占據(jù)正確的位置，而且在受到外力時(shí)也能保持正確的位置不發(fā)生變化。然而，特別是對(duì)于薄壁件的加工，裝夾會(huì)在一定程度上導(dǎo)致工件的變形，雖然這種裝夾變形不能消除，但可以通過(guò)對(duì)裝夾方式的優(yōu)化減少工件的變形。在銑削過(guò)程中，裝夾產(chǎn)生的夾緊力與切削力相互作用，使零件的初始?xì)堄鄳?yīng)力與加工中的殘余應(yīng)力重新分布，從而引起工件的變形。特別是對(duì)于那些回彈變形大的零件，裝夾導(dǎo)致的變形更嚴(yán)重。

2.2.4加工路徑的影響對(duì)于同一個(gè)工件，加工工藝路徑不一樣，裝夾次數(shù)，產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率也大不相同，這是由于加工路徑不同，加工中精度保障和加工時(shí)間也是不同的。?除了以上因素外，切削參數(shù)、刀具尺寸、加工工藝、熱變形、機(jī)床的加工精度、振動(dòng)特性以及其他隨機(jī)因素同樣會(huì)對(duì)工件的加工精度和效率產(chǎn)生影響。

結(jié)論

本文以薄壁零件數(shù)控加工工藝為研究對(duì)象，研究了薄壁結(jié)構(gòu)零件數(shù)控加工過(guò)程中的穩(wěn)定性和影響因素，為優(yōu)化數(shù)控加工工藝參數(shù)、工藝設(shè)計(jì)方案提供相關(guān)技術(shù)支撐，以降低薄壁零件的加工成本，提高生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔祥東.機(jī)械控制工程基礎(chǔ)（第三版）.機(jī)械工業(yè)出版社，2008.3