赵　灿,　陶广福,　郭延艳,　史金光

(1.黑龙江科技大学 现代制造工程中心, 哈尔滨 150022; 2.黑龙江科技大学 机械工程学院, 哈尔滨 150022;3.黑龙江科技大学 工程训练与基础实验中心， 哈尔滨 150022)



钛合金薄壁件铣削振动实验研究

赵灿1,陶广福2,郭延艳3,史金光2

(1.黑龙江科技大学 现代制造工程中心, 哈尔滨 150022; 2.黑龙江科技大学 机械工程学院, 哈尔滨 150022;3.黑龙江科技大学 工程训练与基础实验中心， 哈尔滨 150022)

针对薄壁件铣削加工过程中容易出现的振动问题，采用单因素实验方法，以加速度传感器频谱响应值为动态分析指标，以工件表面粗糙度为最终衡量指标，分析装夹高度、进给速度和径向切深等铣削工艺参数对薄壁件振动的影响。结果表明：铣削钛合金薄壁件共振频率范围在600～800 Hz之间；钛合金薄壁件铣削振动受进给速度影响较大，减少工件的进给速度，有助于减小工件的振动及表面粗糙度。该研究为工程应用现场选取工艺参数提供了参考。

钛合金; 薄壁件; 振动; 粗糙度; 频谱响应值

0　引　言

TC4钛合金因具有密度低、比强度高、耐热及耐腐蚀性好、生物相容性优异等优点,在航空、化工、兵器、核工业、运动器材及医疗等领域得到了广泛的应用[1]。现代航空航天工业,采用大量薄壁型整体结构件作为主要受力构件,如整体框、梁、壁板等[2]。钛合金薄壁件具有结构紧凑、节约材料、质量轻、整体性能优越等特性,用于制作飞机和发动机中的主要构件如飞机机架的起落架、框梁、蒙皮和翼梁,发动机的机匣和叶片等[3]。然而,由于薄壁结构件刚性较低,在切削力、切削热、切削振动等因素综合作用下,极易产生加工变形,难以保证零件的加工精度,甚至造成整个构件的报废[4]。铣削过程中刀具与工件间的相对振动,不仅恶化零件的加工表面质量,降低机床、刀具的使用寿命,严重时使切削加工无法进行[5]。毛文亮[6]以铝合金为材料,薄壁框体为研究对象,研究了薄壁零件高速铣削振动与变形。李彬[7]、宋清华[8]和汤爱君[9]对高速切削过程的振动问题和稳定性理论进行了详细研究与探索。宋宜德[10研究了薄壁多框结构件高效铣削稳定性。笔者针对钛合金薄壁件设计不同的铣削参数,进行铣削实验,用加速度传感器提取动态的振动频谱图,利用表面粗糙度轮廓测量仪对已加工表面进行粗糙度测量,研究其规律及变化原因,为钛合金薄壁件铣削参数的合理选择提供参考依据。

1　实验系统

实验用到的主要仪器设备有XA5032铣床、BK4508B加速度传感器、Kistler9257B测力仪、2207型表面轮廓测试仪、DinoCapure2.0显微镜、夹具、钛合金薄壁件、铣刀等。实验系统如图1所示。

图1　实验测试系统

实验机床为XA5032铣床,主电机功率为7.5 kW,转速为30 ～1 500 r/min,刀具采用直径为 8 mm的SANDVIK整体硬质合金立铣刀,刀齿数为 3。文中采用BK4508B加速度传感器将接受到的振动信号通过电流放大器和数据采集卡进行运算、分析后,将显示测量结果进行保存。为避免进刀和退刀时的不稳定振动对测量结果的影响,测量时将探头置于工件的背侧中间位置,采集加工过程中的工件振动信号。表面粗糙度的测量采用2207型表面粗糙度测量仪,实验前先根据工件大小对软件进行设置,包括测量范围、取样长度、评定长度等,滤波器采用高斯滤波。实验时采用触针法,将铣削加工后的工件放至微调工作台,使探针接触工件表面,并在工件表面进行滑动,探针通过电感传感器传给PC机,当可视误差为±20 μm时,读出粗糙度数据以达到实验测量目的。实验方案为铣削工艺参数:装夹高度h、进给速度vf,径向切深ae和刀具半径r的单因素实验方案。工件装夹后高度h分别为15、20、25、30、35和40 mm,进给速度vf分别为60、95、150、190、235和375 mm/min,径向切深ae分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 mm。刀具半径r分别为2、3、4和5 mm。实验参数如表1所示。通过单因素实验,可以发现不同参数对薄壁件振动的影响规律,并结合表面粗糙度的变化情况进行综合研究。实验工艺系统如图2所示。实验所选取的工件尺寸为110 mm×70 mm×4 mm。在实验工艺系统中,实验工件装夹位置以上为实验铣削区域,如图2所示。

图2　实验工件及其工艺系统

vf/mm·min-1ae/mmh/mmr/mm600.1152950.22031500.32541900.43052350.5353750.640

2　结果与分析

2.1工件一次走刀加工

实验选择钛合金薄壁件的几何参数为:l=100 mm、h=70 mm、b=2 mm,实验工件装夹后的高度为30 mm,铣削用量为vc=23.86 m/min、vf=95 mm/min、ap=2 mm、ae=0.5mm。在对工件进行一次走刀分析时,将工件沿走刀路径进行标记测量点,工件长度l=100 mm,等间距取十个采样点。实验中铣刀切入工件时,开始有周期性稳定变化的振动信号产生。如图3所示,工件的振幅呈现由小变大再变小的趋势,峰值在690 Hz时振幅最大,钛合金薄壁件在铣削加工时振动较大,受到的外界因素也较多,共振点往往是不确定的。在铣床XA5032上通过大量实验发现,铣削钛合金薄壁件时影响共振范围往往在600～800 Hz之间。当铣刀与工件接触时,发生切入冲击,由于工件壁厚较薄发生明显振动,振纹也较明显,并且在切削工件两端时,工件的刚性较弱,相当于一端约束,刀具对工件冲击力较大,存在切入冲击和切出冲击。当刀具加工到工件中间时,相当于两端约束,工件的振动也就较弱。

图3　振动方向频谱

对切削的工件进行表面粗糙度测量,同一切削高度下的十个测量点结果如图4所示。结果表明,两端表面粗糙度轮廓图形波动较大,粗糙度测量值都超过了1.2 μm,中间点测量点最低为0.55 μm,工件表面粗糙度呈现两端大中间小的情况,并且越靠近工件两端表面粗糙度增加的越快。这是由于在工件的两端振动较为剧烈,产生明显的振纹,引起工件表面粗糙度急剧增大。

图4　测量点的表面粗糙度

2.2工件不同装夹高度走刀加工

实验选择薄壁件几何参数为l=100 mm、b=2 mm,h分别为15、20 、25 、30、35和40 mm,钛合金薄壁件,铣削用量分别为vc=23.86 m/min、vf=95 mm/min、ap=2mm、ae=0.5 mm。对工件不同高度走刀振动频谱进行测量,工件的频谱如图5所示。

图5　h=15 mm走刀频谱

图5为选取的h=15 mm时的工件在加工过程中的振动频谱图,选取最大振动幅值作为不同装夹高度下的振动对比参数。图6为不同装夹高度下工件的速度最大振值vmax幅变化趋势。

图6　不同高度下工件最大振动幅值

由图6可见,随着铣削高度的增加振幅明显增大。这是因为当工件装夹在夹具上,一端处在完全约束状态,另一端无约束,可以把工件看成悬臂梁,在铣削参数不变的情况下,薄壁件高度越高,约束力越小,加工过程中越容易出现让刀变形,越容易发生振动。

图7为表面粗糙度随工件高度的变化曲线。随着工件高度的增加,表面粗糙度呈现上升趋势。图8为显微镜下放大150倍工件振纹,高度为15 mm振纹呈现波纹状,纹间距小,工件表面较光滑;随着高度的增加纹间距变大,工件表面凹凸感增强,通过对表面粗糙度的测量发现,振纹越来越明显,这是由于在铣削参数不变的情况下,高度越高工件的刚度越小,振动和变形越剧烈,当高度过高时,由于工件振动过于剧烈,使得切屑并未排除干净就与下一个振动工件表面相切削,造成工件表面划伤严重。

图7　工件高度对表面粗糙度的影响

2.3进给速度与薄壁件振动的关系

实验选择薄壁件几何参数为l=100 mm,b=2 mm,实验装夹后的高度为h=30 mm,铣削用量分别为vc=23.86 m/min、ap=2 mm、ae=0.5 mm,进给速度vf分别为60、95、150、190、235 和375 mm/min。

工件在加工过程中最大振动幅值变化曲线如图9所示。由图9可知,随着进给速度的增大,工件的振动幅值变大。这是因为当进给速度增加时,铣刀在工件中的切削阻力和摩擦阻力都在增加,从而致使铣削力增加。随着铣削力的增加工件的变形量也会变大从而其振动振幅也在变大。 在工件表面同一高度取十个等距点,在不同进给速度下测量表面粗糙度,并对十个等距点取平均值计入图10中。由图10所示随着进给速度的增大,表面粗糙度呈现较明显的增大趋势。这是由于随着进给速度增大,每齿进给量增大,刀具切削工件的厚度增加,刀具与工件接触的单位面积增大,使得刀具与工件摩擦加剧,表面粗糙度增大。

图8　放大150倍工件加工振纹示意

图9　不同进给速度下工件最大振动幅值变化

图10　进给速度对表面粗糙度的影响

2.4径向切深与薄壁件振动的关系

实验选择钛合金薄壁件几何参数为l=100 mm、b=2 mm,装夹后的高度为h=30 mm,铣削用量分别为vc=23.86 m/min、ap=2 mm、vf=95 mm/min,对径向切深ae做单因素实验,分别取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 mm。分析不同的径向切深对工件表面粗糙度的影响。在工件表面同一高度取十个等距点,在不同径向切深下测量表面粗糙度,并对十个等距点取平均值计入图11中。

由图11可知,随着径向切深的增大,表面粗糙度呈现较明显的增大趋势。这是由于随着径向切深增大,刀具切削工件的厚度增加,刀具与工件接触的单位面积增大,第二个齿与工件发生接触,使得刀具与工件摩擦加剧,表面粗糙度增大。

图11　径向切深对表面粗糙度的影响

2.5刀具半径与薄壁件振动的关系

选择四种不同的刀具半径进行铣削实验,研究不同刀具半径对薄壁件振动的影响。刀具半径r分别为2、3、4和5 mm。实验选择钛合金薄壁件几何参数为l=100 mm,t=2 mm,实验装夹后的高度h=40 mm,铣削用量分别为vc=23.86 m/min、vf=95 mm/min、ap=2 mm和ae=0.5 mm。

不同铣刀半径下工件振动幅值的变化如图12所示。由图12可知随着铣刀半径的增大,工件振动最大幅值变小。这是因为当选用刀具半径较小的铣刀时,刀具切入工件瞬时切入的厚度较大,切入冲击力大,导致最大振幅较大,随着刀具半径增大,铣刀与工件的接触刚度在增大,振幅会减小。铣刀半径对表面粗糙度的影响,如图13所示。由图13可知,随着铣刀半径的增大,工件表面粗糙度减小。通过对工件表面振纹观察发现,刀具半径较小时,工件振动剧烈,工件表面产生间隔相等且比较明显的振纹,影响工件表面粗糙度。当选用刀具半径越大,振纹越不明显,工件表面光滑,表面粗糙度较小。

图12　不同铣刀半径下工件速度振动幅值

图13　铣刀半径对表面粗糙度的影响

3　结　论

(1)钛合金薄壁件在铣削加工时振动较大,受到的外界因素也较多,共振点往往是不确定的。在铣床XA5032上的大量铣削实验显示,铣削钛合金薄壁件共振范围往往在600～800 Hz之间。铣削是断续切削,振动信号呈现周期性变化,进刀和退刀处容易发生过切现象,因此，表面粗糙度呈现两端大中间小的变化规律。

(2)钛合金薄壁件铣削振动受进给速度影响较大。当进给速度增大时,每齿进给量增大,刀具切削厚度增加,工件与单位面积增大,振动越剧烈,表面粗糙度也呈现上升趋势。因此，在工件表面质量要求较高的情况下,尽量减少工件的进给速度。越小的进给速度越有助于减小工件的振动及表面粗糙度。在满足加工要求的前提下,要选择大的刀具半径,刀具半径越大,振动越小,工件表面质量越高。

[1]张升, 桂睿智. 选择性激光熔化成形TC4 钛合金开裂行为及其机理研究[J]. 机械工程学报, 2013, 49(23): 21-25.

[2]毕运波. 航空钛合金薄壁件加工变形有限元仿真与分析[J]. 浙江大学学报:工学版, 2008, 42(3): 397-340.

[3]葛茂杰, 孙杰, 李剑峰. 石蜡辅助加固钛合金薄壁件铣削稳定性研究[J]. 山东大学学报, 2011, 41(1): 71-76.

[4]姜兴刚, 梁海彤. 钛合金薄壁件超声椭圆振动铣削研究[J]. 兵工学报, 2014, 35(11): 1891-1895.

[5]武文革, 辛志杰. 金属切削原理及刀具[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009.

[6]毛文亮. 薄壁零件高速铣削振动与变形研究[D]. 兰州:兰州理工大学, 2011.

[7]宋清华, 艾兴. 考虑刀具偏心的变径向切深铣削稳定性研究[J]. 振动测试与诊断, 2008, 28(3): 701-705.

[8]汤爱君, 刘战强. 铣削加工系统三维稳定性理论研究与进展[J]. 工具技术, 2008, 42(5): 3-5.

[9]宋清华, 艾兴万熠, 唐委校. 铣削系统稳定性判定新方法研究[J]. 机械强度, 2008, 30(5): 718-722.

[10]宋宜德. 薄壁多框结构件高效铣削稳定性研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2009.

(编辑李德根)

Experimental research on vibration in milling Titanium thin-walled workpiece

ZHAOCan1,TAOGuangfu2,GUOYanyan3,SHIJinguang2

(1.Modern Manufacture Engineering Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 3.Center for Engineering Training & Basic Experimentation, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is aimed at addressing the vibration more likely to occur in milling the thin-walled workpiece. The study analyzes the impact on vibration of thin-walled workpiece caused by milling processing parameters, such as clamping height, feed rate and radial depth and so on, by using single factor experimental method, using spectral response of acceleration sensor as dynamic analysis indicators, and surface roughness value of the workpiece as the final measuring index . The results show that milling the Titanium thin-walled workpiece occurs with the resonant frequency range between 600～800 Hz ;the vibration of titanium thin-walled workpiece is more likely due to feed speed and reduction in the feed speed will contribute to reducing the vibration and surface roughness value of the workpiece. The research may provide a reference for site selection process parameters for engineering applications.

titonium; thin-walled workpiece; vibration; roughness value; spectral response value

2015-06-26

国家自然科学基金项目(51405138);黑龙江省自然科学基金项目(E201328)

赵灿(1958-),男,辽宁省阜新人,教授,硕生,研究方向:高速超高速精密加工,E-mail:zhao can-hist @163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.04.007

TG54

2095-7262(2015)04-0381-05

A