五軸數(shù)控加工中心切削穩(wěn)定性研究綜述

沈山山,鐘建琳,米潔

(北京信息科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院,北京100192)

0 引言

五軸數(shù)控技術(shù)是目前難度較大和應(yīng)用范圍較廣的數(shù)控技術(shù)，五軸數(shù)控加工中心主要應(yīng)用于復(fù)雜曲面的加工，在航空、航天、軍事工業(yè)等重要領(lǐng)域起到了舉足輕重的作用，也標(biāo)志著一個(gè)國家的生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)水平的高低。五軸聯(lián)動(dòng)技術(shù)的目的之一是實(shí)現(xiàn)高速切削加工，提高生產(chǎn)效率。所以如何提高五軸數(shù)控加工中心的切削效率，是使其最大程度地發(fā)揮作用的關(guān)鍵。五軸數(shù)控加工中心的切削穩(wěn)定性與切削效率密切相關(guān)，切削過程中的自激振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響加工品質(zhì)，在工程實(shí)際中為防止這種情況出現(xiàn)，有時(shí)不得不降低切削用量，導(dǎo)致切削效率降低。因此，對(duì)五軸數(shù)控加工中心的切削穩(wěn)定性進(jìn)行研究十分重要。

1 五軸加工中心切削穩(wěn)定性預(yù)測(cè)研究?jī)?nèi)容

1.1 穩(wěn)定域的影響因素

在切削過程中，機(jī)床、工件、刀具及裝夾都會(huì)影響切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)地研究這些影響因素，掌握這些因素對(duì)切削系統(tǒng)穩(wěn)定性作用的特點(diǎn)和規(guī)律，有助于在無法改變機(jī)床結(jié)構(gòu)的情況下通過合理的措施來擴(kuò)大切削穩(wěn)定區(qū)域，以達(dá)到提高切削效率的目的。切削穩(wěn)定性影響因素主要分為以下三種:

1)切削力系數(shù)。切削力系數(shù)包括切向切削力系數(shù)和徑向切削力系數(shù)，其中，徑向切削力系數(shù)對(duì)切削穩(wěn)定性產(chǎn)生間接影響。切向切削力系數(shù)可直接影響切削穩(wěn)定性，臨界軸向切深隨著切向切削力系數(shù)的增大而減小。這說明切削力系數(shù)越大，加工過程中就越容易出現(xiàn)顫振現(xiàn)象；

2)銑刀幾何參數(shù)。銑刀的懸伸長(zhǎng)度增加，將導(dǎo)致切削穩(wěn)定性葉瓣圖中的穩(wěn)定區(qū)域的顯著減少，因此可采用較小的懸伸長(zhǎng)度來提高切削穩(wěn)定性。銑刀直徑的增大使對(duì)應(yīng)的切削穩(wěn)定性葉瓣圖顯著上移，增大了切削穩(wěn)定區(qū)域，因此可在允許范圍內(nèi)盡量選擇大直徑刀具。銑刀齒數(shù)與穩(wěn)定區(qū)域大小成反比，多齒銑刀更容易出現(xiàn)顫振。螺旋銑刀的極限切深要高于直銑刀；

3)模態(tài)參數(shù)。固有頻率增加使穩(wěn)定區(qū)域增大，但是不改變臨界軸向切削深度的值。阻尼比增大使切削穩(wěn)定區(qū)域增大，尤其使極限軸向切削深度值得到較大提高。模態(tài)剛度的提高也使切削穩(wěn)定性區(qū)域明顯擴(kuò)大。

1.2 切削穩(wěn)定性預(yù)測(cè)過程

切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)需要建立切削力模型和結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型，這兩個(gè)模型組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，用于進(jìn)行切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。具體應(yīng)用中，建立結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型即對(duì)刀具-工件系統(tǒng)設(shè)計(jì)模態(tài)試驗(yàn)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，并根據(jù)模態(tài)分析得出傳遞函數(shù)。通過切削力系數(shù)辨識(shí)、切削力建模得到切削系統(tǒng)的切削力模型。然后根據(jù)分析得到的傳遞函數(shù)和切削力模型進(jìn)行解析計(jì)算，得出穩(wěn)定性葉瓣圖。對(duì)于解析預(yù)測(cè)計(jì)算，目前有多種計(jì)算方法，文中進(jìn)行了詳細(xì)論述。除此之外，還可以應(yīng)用現(xiàn)有相關(guān)軟件進(jìn)行穩(wěn)定性預(yù)測(cè)計(jì)算，直接得出穩(wěn)定性葉瓣圖，目前常用的動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件主要有CutPro，相關(guān)軟件的應(yīng)用提高了穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的效率。

1.3 穩(wěn)定性葉瓣圖的用途

穩(wěn)定性葉瓣圖是進(jìn)行切削穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的依據(jù)，主要有兩方面重要的用途:1)穩(wěn)定性葉瓣圖用于進(jìn)行切削參數(shù)的優(yōu)化，穩(wěn)定性葉瓣圖是主軸轉(zhuǎn)速與軸向切深之間的關(guān)系曲線，它將切削加工的穩(wěn)定區(qū)域與不穩(wěn)定區(qū)域很直觀地表現(xiàn)出來，便于工作人員在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)選取切削參數(shù)，從而避開顫振；2)穩(wěn)定性葉瓣圖用于進(jìn)行工藝過程的優(yōu)化，由于顫振可能導(dǎo)致工件表面品質(zhì)下降、刀具磨損等多種嚴(yán)重問題，工作人員在加工過程中經(jīng)常采取保守的切削用量，雖然在一定程度上能夠避免顫振現(xiàn)象的出現(xiàn)，但是大大降低了切削效率。而有了穩(wěn)定性葉瓣圖這一可靠的依據(jù)后，在葉瓣圖的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)可以選擇較大的切削用量，從而提高切削效率，也使加工中心充分發(fā)揮其作用。穩(wěn)定性葉瓣圖的這兩種作用都可以使機(jī)床避免或減少顫振情況，提高切削效率。

2 五軸加工中心切削力建模與參數(shù)識(shí)別

2.1 切削力系數(shù)辨識(shí)

切削力系數(shù)辨識(shí)的精確程度是進(jìn)行切削力建模的關(guān)鍵，將直接影響穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度。目前辨識(shí)切削力系數(shù)的方法主要有[1]:1)通過直角切削數(shù)據(jù)庫以及斜角切削分析獲取切削力系數(shù)的方法；2)針對(duì)特定的刀具-工件系統(tǒng)，以進(jìn)給量為變量進(jìn)行無振動(dòng)切削試驗(yàn)，用獲取的平均切削力來辨識(shí)切削力系數(shù)；3)通過一次試切試驗(yàn)獲取的瞬時(shí)切削力來辨識(shí)切削力系數(shù)；4)通過可控振動(dòng)測(cè)試裝置辨識(shí)出動(dòng)態(tài)切削力系數(shù)。

2.2 切削力建模

金屬切削過程是刀具與工件相互運(yùn)動(dòng)、相互作用的過程。切削力是影響切削穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，切削力建模是進(jìn)行切削穩(wěn)定性判斷的基礎(chǔ)，因此對(duì)切削力的建模與仿真是十分關(guān)鍵的。

銑削力建模的方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式模型和切削力系數(shù)模型，近年來高速銑削發(fā)展較快，國內(nèi)對(duì)銑削力建模的研究也有了一些新的發(fā)展。姚運(yùn)萍[2]等建立了螺旋刃球頭銑刀的銑削力模型，該模型適合用于對(duì)難加工材料的高速切削加工。西北工業(yè)大學(xué)的王剛[3]等提出了用模糊系統(tǒng)進(jìn)行銑削力建模的新方法，該文獻(xiàn)在研究粒子群算法的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，并通過實(shí)驗(yàn)證明該方法的預(yù)測(cè)效果得到了明顯提高。哈爾濱工程大學(xué)的鄭金興[4]通過粒子群優(yōu)化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建立高速銑削力模型，由于粒子群算法的全局尋優(yōu)能力和反向傳播算法的局部搜索優(yōu)勢(shì)，縮短了訓(xùn)練時(shí)間，提高了預(yù)報(bào)精度。廣東海洋大學(xué)的譚光宇[5]對(duì)高速切削環(huán)境下的平底立銑刀進(jìn)行了切削力解析建模。立銑是復(fù)雜的三維切削，其切削參數(shù)數(shù)量多，切削力準(zhǔn)確建模難度大，在此文獻(xiàn)中，采用了斜角切削模型與直角切削模型相結(jié)合的分析方法得出切削力解析模型，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其模型準(zhǔn)確度較高。

3 五軸加工中心切削穩(wěn)定性分析與仿真研究

3.1 切削穩(wěn)定性分析與仿真方法

切削穩(wěn)定性仿真方法主要分為時(shí)域法、頻域法和實(shí)驗(yàn)法。用時(shí)域分析方法獲得穩(wěn)定性葉瓣圖的關(guān)鍵是確定穩(wěn)定性判據(jù)。目前有關(guān)時(shí)域顫振穩(wěn)定性的判斷標(biāo)準(zhǔn)主要有快速傅里葉變換法、峰值力—峰值力法、動(dòng)態(tài)力/靜態(tài)力法、刀尖位移統(tǒng)計(jì)方法。時(shí)域法預(yù)測(cè)精度較高，但是計(jì)算效率低。頻域分析法主要有0階頻域解析法和多頻求解法。頻域分析方法與時(shí)域分析方法相反，其計(jì)算量小，效率高，然而其缺點(diǎn)就是在不同的切削條件下要選擇0階頻域解析法或者多頻求解方法。實(shí)驗(yàn)法的原理是給定多個(gè)不同的主軸轉(zhuǎn)速值，通過切削實(shí)驗(yàn)來獲取與主軸轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的極限切深，再通過主軸轉(zhuǎn)速與極限切深的值繪制出穩(wěn)定性葉瓣圖。這種方法的適應(yīng)性差，實(shí)驗(yàn)成本高，不適合廣泛應(yīng)用。

3.2 切削穩(wěn)定性仿真分析國外研究現(xiàn)狀

早期的切削穩(wěn)定性研究是建立在十分簡(jiǎn)化的模型之上，忽略動(dòng)態(tài)切削力以及刀具-工件系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性等關(guān)鍵因素，而五軸加工中心多應(yīng)用于復(fù)雜曲面的加工等精密加工中，對(duì)切削穩(wěn)定性的要求較高，所以早期的切削穩(wěn)定性研究在五軸加工中心上不具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。國外很多學(xué)者對(duì)切削穩(wěn)定性的研究方面有了新的發(fā)展，F(xiàn).abrari[6]等提出了球頭立銑的動(dòng)態(tài)切削力和穩(wěn)定性分析模型，并在五軸銑床實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上證實(shí)了模型的正確性。M.S.Fofana[7]將無限多維的隨機(jī)顫振降低到兩個(gè)自由度的普通的微分方程，通過積分和拉氏變換得到了顫振穩(wěn)定性的分析表達(dá)式。Janez Gradifek[8]等采用0階頻域解析法和半離散化方法進(jìn)行了兩自由度的高速銑削系統(tǒng)的穩(wěn)定性極限預(yù)測(cè)，并通過試驗(yàn)證實(shí)了半離散化方法的正確性。E.Budak[9]用0階頻域解析法對(duì)主軸轉(zhuǎn)速和軸向、徑向切深、刀具幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提出了無顫振材料去除率的方法。

3.3 切削穩(wěn)定性仿真分析國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)還沒有關(guān)于切削穩(wěn)定性的系統(tǒng)研究，但是有些學(xué)者對(duì)切削穩(wěn)定性極限預(yù)測(cè)做出了初步的研究?？追鄙璠10]首次將模糊數(shù)學(xué)分析方法應(yīng)用到機(jī)床的切削顫振分析中。哈爾濱工業(yè)大學(xué)張軍[11]提出了一種圖解法用于繪制穩(wěn)定性極限圖，該方法簡(jiǎn)單直觀，具有實(shí)用性。李忠群[12]運(yùn)用MATLAB對(duì)切削穩(wěn)定域進(jìn)行了仿真分析，得出切實(shí)可行的穩(wěn)定域仿真算法，解決了目前國內(nèi)加工過程中在選取工藝參數(shù)方面存在的問題。薄壁工件是非常特殊的工件，其各方向上的剛度存在很大差異，夾具的壓力對(duì)薄壁零件的動(dòng)態(tài)性能的影響也是非常顯著的。王衛(wèi)東[13]將夾具對(duì)工件上的壓力作為切削穩(wěn)定性的主要影響因素，并結(jié)合刀具的頻率響應(yīng)函數(shù)和不同壓力條件下工件呈現(xiàn)的模態(tài)特性生成不同正壓力條件下的銑削系統(tǒng)穩(wěn)定性圖。四川大學(xué)梁睿君，葉文華[14]等研究了三維穩(wěn)定性極限圖，將進(jìn)給量因子引入到穩(wěn)定性分析中。上海交通大學(xué)丁燁[15]提出了計(jì)算效率更高的半解析判別穩(wěn)定性的全離散法，該方法能適用于多種工況。

4 結(jié)語

對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，通過穩(wěn)定性極限圖，可在保證穩(wěn)定切削的前提下選擇最大的切削用量，從而使切削效率得到顯著的提高，是五軸聯(lián)動(dòng)加工中心充分發(fā)揮其作用。

國內(nèi)外學(xué)者在穩(wěn)定性的研究中都進(jìn)行了大量的研究與貢獻(xiàn)，并取得了不斷的進(jìn)步，但是在這方面的研究方面還存在一定程度的不足，未來的發(fā)展方向主要可歸納為以下幾個(gè)方面:

1)切削穩(wěn)定性的仿真方法研究。目前時(shí)域分析方法研究較少，一個(gè)好的穩(wěn)定性分析方法能夠提高預(yù)測(cè)精度和計(jì)算效率，使切削系統(tǒng)的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)不必依賴于大量的實(shí)驗(yàn)。

2)切削力系數(shù)辨識(shí)和切削力建模。模型的準(zhǔn)確性直接影響穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的精度，應(yīng)加強(qiáng)切削力建模方面的理論研究。

3)切削顫振的在線監(jiān)測(cè)與控制。目前在顫振的機(jī)理與控制方面的研究已有成效，但是在顫振監(jiān)測(cè)與在線控制方面的研究還很少，這方面的研究同樣能很有效的保證切削穩(wěn)定性。

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