聚氨酯泡沫輔助加固鈦合金薄壁件銑削性能研究*

劉 春，孫 杰，劉 凱，崔雅文，路來驍，楊 斌

（1.山東大學(xué)機械工程學(xué)院，濟南 250061;2. 航空工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，成都 610092）

鈦合金薄壁件具有質(zhì)量輕、比強度高等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如飛機及機載設(shè)備框架殼體、航空發(fā)動機葉輪葉片等，其薄壁主要以板、肋等局部結(jié)構(gòu)以及框、梁、緣條、接頭等整體結(jié)構(gòu)形式存在。由于存在壁厚薄、相對剛度低等特點，使得薄壁件加工工藝性差，易產(chǎn)生加工變形和切削振動，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和加工精度[1-3]。實際加工中多采用重復(fù)精加工或變形預(yù)補償?shù)确椒右越鉀Q。但重復(fù)精加工和變形預(yù)補償均沒有改變薄壁結(jié)構(gòu)件剛度低的本質(zhì)特征，且加工效率低。而基于薄壁件輔助加固加工技術(shù)能夠提高薄壁件銑削剛度，提高加工穩(wěn)定性，加工效率高，是目前薄壁件變形控制一個比較重要的研究方向。

針對薄壁件加工質(zhì)量和加工精度難以保證的問題，Obara等[4]采用低熔點合金填充輔助加工薄壁件，提高工件剛度，抑制加工振動和變形。Gulley[5]、Korobko[6]、Rong 等[7]研究了電流變材料和磁流變材料的柔性夾具。肖璐[8]、孫義林等[9]對磁流變液材料輔助支撐薄壁件提高加工精度進行了研究。葛茂杰等[10-11]采用石蠟填充輔助加固薄壁件提高工件剛度，改善加工質(zhì)量。這些研究雖能解決一些加工問題，但低熔點合金比重大，易引起工件變形，且吸附在零件表面不易清除，在使用過程中還存在鉛污染；電流變材料和磁流變材料雖能實現(xiàn)迅速裝夾，但材料剪切強度低，加工系統(tǒng)復(fù)雜性增加，試驗成本較高；石蠟成本雖然比較低，但其軟化溫度低、體積收縮率大、與工件結(jié)合強度低，其應(yīng)用也受到限制。

針對上述填充材料存在的問題，尋找新型填充材料對提高鈦合金薄壁零件機械加工精度和加工質(zhì)量具有十分重要的意義。聚氨酯泡沫作為被動阻尼材料阻尼系數(shù)大、比重小，對金屬有很好的粘結(jié)性能，能夠緩沖吸振，成本低，是一種可替代填充材料。它由聚異氰酸酯和聚多醚兩種物質(zhì)發(fā)生聚合和膠合反應(yīng)生成，交聯(lián)密度越大，泡沫塑料越硬。因此，只需要簡單修改配比，便可獲得不同密度、彈性、剛性等物理性能。Nayfeh[12]利用聚氨酯阻尼泡沫作為約束層來研究疊層復(fù)合梁平面彎曲振動阻尼特性。Woody等[13]基于Nayfeh試驗結(jié)果，利用該類型阻尼泡沫比重小、減振吸能特性提高輕質(zhì)反射鏡快速轉(zhuǎn)向的可控性。Scarpa等[14-15]對聚氨酯泡沫應(yīng)用在防振手套上的阻尼性能進行了研究。但是目前聚氨酯泡沫在輔助加工鈦合金薄壁件方面的研究還比較缺乏。因此，本文采用聚氨酯阻尼泡沫材料填充鈦合金薄壁零件框，用來輔助支撐鈦合金框零件側(cè)壁的精加工。研究聚氨酯泡沫輔助加固對切削穩(wěn)定性和加工質(zhì)量的影響，為鈦合金薄壁件高效穩(wěn)定加工提供技術(shù)支持。

銑削試驗設(shè)計

1 試驗材料準(zhǔn)備

試驗采用的鈦合金為Ti6Al4V，屬于α+β型鈦合金，工件尺寸為168mm×118mm×25mm，共有6個相同的薄壁框。聚氨酯泡沫密度為12.2kg/m3，阻尼系數(shù)為0.05。試驗分為兩組：A組填充聚氨酯泡沫材料，B組不填充聚氨酯泡沫材料。裝夾工件前使用聚氨酯發(fā)泡材料填充A組鈦合金薄壁框。

聚氨酯發(fā)泡材料的發(fā)泡過程包含泡沫的形成和穩(wěn)定兩個過程，使用前物料在料罐中為液體，噴出后為顏色均勻的泡沫，泡沫固化后形成泡孔均勻的硬質(zhì)泡沫塑料。硬質(zhì)泡沫塑料具有結(jié)實光滑而堅韌的外表皮和低密度泡沫芯，并可在一定條件下采用醇解、水解、堿解、熱解等化學(xué)方法清除回收。試驗前A、B兩組所使用的鈦合金薄壁件相同，聚氨酯發(fā)泡材料填充的A組（B組在相同位置不填充）鈦合金薄壁框側(cè)壁加工位置如圖1所示。

圖1 鈦合金薄壁框零件及加工位置Fig.1 Titanium alloy thin-walled part and machining position

表1 鈦合金薄壁框銑削試驗儀器設(shè)備

表2 鈦合金薄壁框銑削試驗刀具參數(shù)

圖2 試驗設(shè)備連接及加工示意圖Fig.2 Test equipment connection and processing diagram

2 試驗儀器設(shè)備

試驗所用的儀器設(shè)備及刀具參數(shù)如表1、表2所示。試驗過程采用干切削，銑削方式為逆銑，用壓板將工件壓緊固定在工作臺上，使用百分表對準(zhǔn)工件外壁與機床工作臺X、Y方向位置。利用三向加速度傳感器測量工件側(cè)壁銑削時沿X方向振動加速度ax，利用安正數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對側(cè)壁銑削過程中的振動信號進行采集，使用白光干涉儀對工件側(cè)壁已加工表面進行分析。圖2為試驗設(shè)備連接及加工示意圖。

3 試驗參數(shù)

試驗采用分層銑削工件側(cè)壁，均分為3層，A組、B組3層徑向切削厚度ae均對應(yīng)相等，第1層ae=0.8mm、第 2層ae=0.6mm、第 3層ae=0.4mm，加工前工件側(cè)壁厚度b0=3mm，刀具沿機床Y方向進給量f=65mm。主要銑削參數(shù)如下：切削速度vc=81.68m/min，主軸轉(zhuǎn)速n=1300r/min，進給速度vf=416mm/min，軸向切深ap=10mm。

銑削試驗結(jié)果分析與討論

1 振動信號時域分析

在有、無聚氨酯泡沫填充兩種情況下，銑削工件側(cè)壁第1層、第2層和第3層時的振動加速度ax時域特性如圖3、圖4和圖5所示。

由圖3、4、5可知，未填充組各銑削層振動信號幅值均明顯大于填充組各銑削層振動信號幅值。計算振動加速度ax最大值的平均值，得到相同徑向切削厚度條件下填充和未填充兩種情況的振動加速度ax最大值的平均值如圖6所示。

由圖6可知，與B組相比，填充聚氨酯泡沫輔助加固后A組各銑削層振動加速度幅值降低比值分別為：第1層降低了61.94%，第2層降低了58.96%，第3層降低了65.47%。同時隨著徑向切削厚度ae的減小，振動加速度幅值也在減小，振動在減弱。分析原因是工件側(cè)壁厚度較小，剛度較低，軸向切深相對較大，導(dǎo)致B組振動相對劇烈；而A組由于聚氨酯泡沫的存在，起到了輔助支撐的作用，使得振幅減小，因此加工過程較為平穩(wěn)。

2 振動信號頻域分析

工藝系統(tǒng)振動與切削過程的穩(wěn)定性息息相關(guān)，頻域分析可以顯示振動信號的各頻率成分，以及各頻率成分的幅值，因此頻域比時域更能反映切削過程中的信息。利用MATLAB軟件對加工過程中側(cè)壁振動加速度ax進行快速傅立葉變換（FFT），可以得到ax的頻域特性，再利用ax的頻譜就可以分析判斷加工狀況。

傳感器采集到的刀具切削振動信號的變化頻率是刀具轉(zhuǎn)動頻率與齒數(shù)N的乘積，即刀齒通過率（TPF）。由于刀具制造和裝夾誤差造成刀具系統(tǒng)不對稱，因此刀具轉(zhuǎn)動頻率是主軸的轉(zhuǎn)動頻率（SF）[16]。為了驗證銑削過程中是否真的發(fā)生顫振，需要研究振動信號頻譜的功率譜。若振動信號的功率譜譜線峰值均位于橫坐標(biāo)刀齒通過率（TPF）的整數(shù)倍處，則未發(fā)生顫振。

主軸轉(zhuǎn)動頻率SF（Hz）定義為：

圖3 第1層銑削振動加速度ax隨時間變化（ae=0.8mm）Fig.3 Vibration acceleration ax of the first layer versus time (ae=0.8mm)

圖4 第2層銑削振動加速度ax隨時間變化（ae=0.6mm）Fig.4 Vibration acceleration ax of the second layer versus time (ae=0.6mm)

圖5 第3層銑削振動加速度ax隨時間變化（ae=0.4mm）Fig.5 Vibration acceleration ax of the third layer versus time (ae=0.4mm)

式中：ω為主軸轉(zhuǎn)動的角速度，rad/min；v為主軸的線速度，m/min；D為銑刀直徑，mm。

刀齒通過率（TPF）定義為：

式中：N為銑刀齒數(shù)。

刀具直徑D=20mm，銑刀齒數(shù)N=4，切削速度vc=81.68m/min，故SF=21.67Hz，TPF=86.67Hz。

銑削側(cè)壁第1、2、3層時振動加速度ax的功率譜如圖7、圖8、圖9所示。分析圖7、8、9側(cè)壁振動加速度ax功率譜曲線，發(fā)現(xiàn)在填充聚氨酯泡沫情況下，A組除第1層外，第2、3層譜線峰值均出現(xiàn)在TPF整數(shù)倍處，沒有發(fā)生顫振；未填充聚氨酯泡沫情況下，B組各銑削層譜線峰值除出現(xiàn)在TPF整數(shù)倍處外，也出現(xiàn)在非整數(shù)倍處，特別是在高頻階段。結(jié)合圖3、4、5，說明未填充聚氨酯泡沫情況下，B組切削振動大，導(dǎo)致刀具發(fā)生磨損處于不穩(wěn)定切削狀態(tài)，造成高頻處能量增加，發(fā)生了顫振。部分顫振頻率如圖7、8、9所示。

與B組相比，A組各銑削層在TPF整數(shù)倍處的譜線峰值明顯較小，這是由于填充的聚氨酯泡沫具有緩沖吸能特性，能吸收切削振動過程中的能量。同時A、B組各銑削層的功率譜圖中均夾雜著較多的位于非整數(shù)倍處的譜線，說明振動信號中除了切削產(chǎn)生的強迫振動信號外，還混雜著一些其他信號，原因可能是刀具系統(tǒng)處于不穩(wěn)定切削狀態(tài)，導(dǎo)致振動信號不規(guī)則波動。

3 加工表面質(zhì)量分析

加工完成后，利用白光干涉儀對工件側(cè)壁中間區(qū)域不同位置進行測量，每組各測量5次計算平均值作為其表面粗糙度值，得到A組Ra=478.52nm，B組Ra=726.26nm?？梢钥闯觯珹組側(cè)壁加工表面粗糙度比B組減少了34.1%。從A組、B組測量位置中各取其中一個位置，其表面粗糙度及三維形貌如圖10、11所示。

圖6 填充和未填充聚氨酯條件下振動加速度axFig.6 Vibration acceleration ax with and without polyurethane

圖7 第1層振動加速度ax功率譜（ae=0.8mm）Fig.7 Power spectrum of the first layer vibration acceleration ax (ae=0.8mm)

圖8 第2層振動加速度ax功率譜（ae=0.6mm）Fig.8 Power spectrum of the second layer vibration acceleration ax (ae=0.6mm)

圖9 第3層振動加速度ax功率譜（ae=0.4mm）Fig.9 Power spectrum of the third layer vibration acceleration ax (ae=0.4mm)

由圖11可以看出，在沒有聚氨酯泡沫輔助加固的情況下，B組側(cè)壁已加工表面刀痕非常清晰；采用聚氨酯泡沫輔助加固的A組表面刀痕變化較小，表面相對平滑。分別在圖11（a）、（b）中垂直于進給方向vf各取一條路徑，得到垂直于進給方向的側(cè)壁加工表面輪廓如圖12所示。

由圖12可知，在垂直于進給方向，A組表面粗糙度值Ra=0.41μm，B組表面粗糙度值Ra=0.79μ m，A組輪廓波動幅度較小，而B組輪廓波動性較大。垂直進給方向的粗糙度主要受刀具切削刃的影響，在相同刀具和銑削參數(shù)條件下，由于B組切削振動較A組大，因此產(chǎn)生較大的波峰波谷。故利用聚氨酯泡沫輔助加固可以有效減小已加工面的刀痕幅值，提高薄壁件加工表面質(zhì)量。

4 加工精度分析

對A組、B組工件加工后的側(cè)壁厚度進行測量，沿壁長方向等距8mm各依次對應(yīng)取8個點，已加工側(cè)壁厚度測量結(jié)果如圖13所示。

由圖13可知，A組加工效果明顯好于B組。B組由于無聚氨酯泡沫輔助加固剛度較差，在切削力的作用下，側(cè)壁產(chǎn)生的彈性變形較A組大，實際切削加工面與理論加工面不在同一位置，導(dǎo)致徑向切削厚度ae發(fā)生改變，從而在加工過程中出現(xiàn)了一定的讓刀，最終導(dǎo)致側(cè)壁兩邊薄，中間厚，呈“凸”型結(jié)構(gòu)，但B組讓刀量明顯大于A組。加工完成后A組側(cè)壁中間位置比兩邊厚約5%，B組側(cè)壁厚度中間位置比兩邊厚約12%，雖然A組側(cè)壁與理論壁厚仍有一定的差值，但與B組相比，能夠明顯提升鈦合金薄壁件側(cè)壁加工精度，故A組平均壁厚更接近理論側(cè)壁壁厚。因此，采用聚氨酯泡沫輔助加固可以有效提高弱剛性零件加工過程中的穩(wěn)定性，改善加工質(zhì)量，減小加工誤差。

圖10 側(cè)壁加工表面粗糙度Fig.10 Surface roughness of machined thin wall

圖11 側(cè)壁加工表面三維形貌Fig.11 3D shape of machined thin wall surface

圖12 垂直于進給方向的輪廓對比Fig.12 Contour comparisons in the vertical feed direction

圖13 側(cè)壁厚度測量結(jié)果Fig.13 Thickness of machined thin wall

結(jié)論

通過聚氨酯阻尼泡沫輔助加固鈦合金薄壁件銑削試驗，對有、無填充聚氨酯泡沫情況下的試驗結(jié)果進行分析，得到以下結(jié)論：

（1）對比振動加速度時域幅值大小，發(fā)現(xiàn)填充聚氨酯各銑削層振動信號幅值均明顯小于未填充聚氨酯各銑削層振動信號幅值，工件側(cè)壁銑削振動明顯減弱。這說明聚氨酯泡沫起到了輔助支撐的作用，增加了工件側(cè)壁銑削剛度。

（2）對比振動加速度信號頻域譜線幅值大小，發(fā)現(xiàn)填充聚氨酯各銑削層譜線峰值均明顯小于未填充聚氨酯各銑削層譜線峰值。在填充聚氨酯情況下，各銑削層譜線除了第1層外，2、3層譜線峰值均出現(xiàn)在TPF整數(shù)倍處，沒有發(fā)生顫振；未填充聚氨酯情況下，各銑削層譜線峰值除了出現(xiàn)在TPF整數(shù)倍處外，也出現(xiàn)在非整數(shù)倍處（特別是在高頻階段），均發(fā)生了顫振。說明未填充聚氨酯銑削時很容易發(fā)生顫振，填充聚氨酯可在一定程度上抑制顫振的發(fā)生，聚氨酯泡沫具有緩沖吸振的作用。

（3）與未填充相比，填充聚氨酯情況下工件側(cè)壁已加工表面粗糙度減小了34.1%；同時側(cè)壁讓刀量明顯減小，其中填充聚氨酯情況下的側(cè)壁中間位置厚度比兩邊厚約5%，未填充聚氨酯情況下的側(cè)壁中間位置厚度比兩邊厚約12%，說明填充聚氨酯泡沫使加工質(zhì)量和加工精度得到了有效改善，這為薄壁類零件加工提供了一定的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

參 考 文 獻

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