面向鈦合金銑削的變齒距立銑刀研究.pdf

1、鈦合金以其優(yōu)異的綜合性能廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，但是由于它具有導(dǎo)熱系數(shù)低、高溫化學(xué)活性高和彈性模量小等特點(diǎn)，因此是一種典型的難加工材料。在切削過程中，大幅度的振動導(dǎo)致刀具磨損加快、表面質(zhì)量難以控制、切削速度難以提高。同時，由于航空鈦合金零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，大量的材料需要從整塊坯料中去除，急需較高的加工效率。因此，效率和質(zhì)量之間的矛盾成為制約航空航天制造業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。為了解決航空鈦合金易產(chǎn)生振動的問題，本課題以Ti-6Al-4V為加

2、工對象，借助于理論分析和試驗(yàn)研究，對具有減振性能的變齒距銑刀減振機(jī)理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)、深入地研究，該研究對于提供變齒距銑刀結(jié)構(gòu)和加工參數(shù)優(yōu)化具有重要的理論指導(dǎo)意義，對于增強(qiáng)我國航空航天業(yè)的競爭力具有重大的實(shí)用價值。主要研究內(nèi)容包括：
　　 ⑴針對鈦合金加工易振動，刀具偏心嚴(yán)重等特點(diǎn)，結(jié)合變齒距螺旋立銑刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了考慮銑刀偏心和銑刀變形影響的變齒距銑刀三維銑削動力學(xué)模型。通過銑削力試驗(yàn)結(jié)果，用最小二乘法擬合出銑削力系數(shù)，并對

3、銑削力進(jìn)行了仿真?；阢娤髁δＰ头治隽她X間角、螺旋角、軸向切深和徑向切深對y向銑削力影響，分析了銑刀偏心對離心力的影響。結(jié)果表明：從控制y向銑削力的角度來講，對于鈦合金加工應(yīng)選擇較大的螺旋角、小的徑向切深和每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。
　　 ⑵考慮銑削干擾因素影響，建立了變齒距銑刀的銑削動態(tài)位移和動態(tài)銑削力模型，并根據(jù)穩(wěn)定性條件得到了變齒距銑刀銑削的極限切削深。為了深入研究銑削系統(tǒng)的穩(wěn)定性，開展了銑削系統(tǒng)的模態(tài)試驗(yàn)，根據(jù)銑削系統(tǒng)的頻響函數(shù)得到了

4、銑削系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，結(jié)合銑削力仿真數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件繪制出銑削系統(tǒng)的顫振穩(wěn)定性葉瓣圖，分析了銑刀結(jié)構(gòu)參數(shù)、加工工藝參數(shù)及銑削系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)對極限切深的影響，為優(yōu)化銑刀結(jié)構(gòu)及加工工藝參數(shù)提供理論指導(dǎo)。結(jié)果表明：選擇大的齒間角差、小的徑向切寬，大的銑削系統(tǒng)剛度和阻尼有助于增加系統(tǒng)的極限切深，從而有助于增加銑削系統(tǒng)的穩(wěn)定性區(qū)域。
　　 ⑶為了分析銑削過程的異常行為，提出了基于時域、頻域和時頻域分析的銑削力和振動加速度信號分析方法

5、。采用干銑削順銑方式開展了銑削速度從80m/min增加到360m/min的鈦合金銑削試驗(yàn)，并利用信號分析方法分析了不同銑削速度下的銑削力及加速度信號。比較了穩(wěn)定和非穩(wěn)定狀況下銑削力、已加工表面質(zhì)量的不同，得到振動對銑削加工的影響以及銑削加工的最佳銑削速度，從而在保證銑刀壽命和加工表面質(zhì)量的前提下，提高銑削效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)顫振發(fā)生時，銑削力增加了61.9％-66.8％，表面質(zhì)量降低，其表面粗糙度增加了34.2％-40.5％。其時頻域

6、分析即小波分析結(jié)果表明：顫振頻率處切削力幅值對銑削力的貢獻(xiàn)較大，因此應(yīng)當(dāng)避免顫振。
　　 ⑷基于頻譜線能量分布理論分析了變齒距銑刀的減振機(jī)理。以芯部直徑、螺旋角、前角、后角以及齒間角為影響因子，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了25把不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋立銑刀，借助于有限元軟件ABAQUS進(jìn)行靜力學(xué)仿真，利用極差分析得到各結(jié)構(gòu)參數(shù)對銑刀應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律；在保證銑刀前角、后角及芯部直徑恒定的前提下，改變齒間角及變螺旋角進(jìn)行靜態(tài)仿真，得到兩

7、者對銑刀應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律?；陬l譜線能量分布原則，借助于MATLAB軟件仿真優(yōu)化了變齒距銑刀齒間角分布。結(jié)果表明：對于四齒銑刀，最優(yōu)齒間角為83°-97°-83°-97°和87°-93°-87°-93°；對于直徑為20mm的銑刀，銑刀芯部直徑在11.4mm-13.4mm之間，銑刀前角為7°-11°之間；銑刀后角不超過20°。變螺旋角36°-38°時銑刀有較好的剛度。
　　 ⑸基于變齒距銑刀結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析結(jié)果，設(shè)計(jì)出10種結(jié)構(gòu)的銑

8、刀，進(jìn)行了鈦合金銑削加工試驗(yàn)，分析了因改變銑刀齒間角、螺旋角和增加變槽深結(jié)構(gòu)對銑削加工的性能影響。通過時域、頻域和時頻域分析了銑刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)、銑削速度的變化對銑削力與銑刀振動位移的影響，得到了不同參數(shù)對銑削性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：變齒間角對銑刀的抑振效果最好，齒間角差越大，振動位移越小。當(dāng)銑削速度為120m/min和150m/min時，銑削力激振頻率和機(jī)床固有頻率接近，造成了共振，從而加劇了銑削振動；銑削速度為1.50m/min時的顫