基于切削参数优化的铣削动态响应控制方案

在薄壁零件铣削过程中，工艺系统的稳定性和表面质量与系统刚度及切削参数如主轴转速、轴向切深等密切相关。目前，主要采用切削参数优选和增大工艺刚度的方法进行铣削过程动态响应控制。切削参数优选是通过计算得到颤振稳定性叶瓣图和表面位置误差图，并据此选择合适的轴向切深-主轴转速参数组合来避免切削颤振和强迫振动。

图5.8　切削行l1对应的三维稳定性叶瓣图及其二维投影

由第2章内容可知，实际加工中的材料切除效应会使工艺系统的动力学特性发生显著变化，并造成稳定性叶瓣图交错排列，切削参数选取困难。为此，可采用面向单行刀位轨迹的切削参数优选方法，也可称为分行定主轴转速的工艺策略。该方法以单行刀位轨迹内的材料切除序列为第三维度，建立描述工艺系统动力学演化的三维稳定性叶瓣图。图5.8和图5.9所示为机匣加工切削行l1和整个工序对应的三维稳定性叶瓣图及其二维投影。可以发现，在单个切削行内，最初和最终切削段对应的稳定性叶瓣图共同构成了整个切削行的稳定性叶瓣图边界。由于单个切削行内工艺系统的动力学特性变化幅度较小，因此根据三维稳定性叶瓣图可以确定出较大的稳定参数区域，获得较宽的主轴转速区域和较大的稳定极限切深选择。而在整个工序内，根据三维稳定性叶瓣图确定的稳定参数区域较小，可优化选择的主轴转速区域较窄，可优化选择的稳定极限切深较小，造成整个加工过程中动态响应的容错能力降低，加工效率下降。

图5.9　整个工序对应的三维稳定性叶瓣图及其二维投影

图5.10　切削行l1对应的不同主轴转速时的三维稳定性叶瓣图剖面

截取三维稳定性叶瓣图在不同主轴转速下的剖面，可以更加直观地分析单个切削行内或整个工序内的铣削过程稳定性问题。图5.10所示为切削行l1对应的不同主轴转速时的三维稳定性叶瓣图剖面。可以发现，对于0.5 mm的加工余量，当主轴转速为3000 r/min时，各个切削段都会发生颤振；当主轴转速为3500 r/min时，各个切削段都处于稳定状态；当主轴转速为4000 r/min时，前面几个切削段处于稳定状态，后续的切削段则都会发生颤振。图5.11所示为整个工序对应的不同主轴转速时的三维稳定性叶瓣图剖面。可以发现，当主轴转速为4000 r/min时，各个切削行都会发生颤振；而当主轴转速为3000 r/min和3500 r/min时，一部分切削行处于颤振状态，另一部分切削行处于稳定状态。因此，可以针对不同的切削行选取不同的主轴转速，保证各个切削行的稳定切削，进而保证整个工序的稳定切削。主轴转速的改变可以在各个切削行的进刀、退刀操作中实现。

图5.11　整个工序对应的不同主轴转速时的三维稳定性叶瓣图剖面

图5.12　切削行l1对应的动态响应控制参数优选区域

另外，在机匣表面加工过程中，如果产生了过大的交变激振力，会使得强迫振动幅值超过刀具或工件的振动允许极限，从而造成刀具或工件的破坏甚至报废。因此，必须对机匣表面加工过程中的强迫振动幅值进行控制。当刀齿通过频率与刀具固有频率接近时，工艺系统的振动幅值会放大，机匣加工表面的振动加剧，误差增大。因此，可以将表面位置误差图引入三维稳定性叶瓣图之中，并在图上优化选择切削参数，从而实现抑制加工过程中切削颤振和强迫振动的目的。如图5.12所示，可以发现，在主轴转速0～10000 r/min范围内包括4个强迫振动幅值放大区，其中2区位于主轴转速7404 r/min附近，3区位于主轴转速4936 r/min附近，4区位于主轴转速3702 r/min附近，5区位于主轴转速2962 r/min附近。强迫振动幅值放大区和稳定性叶瓣图边界共同构成了稳定参数区域的约束条件。(www.xing528.com)

在选择合适的切削参数时，一方面要根据预测的稳定性叶瓣图来避免切削颤振，另一方面要避开强迫振动幅值放大区来控制表面位置误差。

主轴转速n的约束条件为

式中：nmax为机床许用的最大主轴转速。

轴向切深ap的约束条件为

式中：apmax为该道工序的最大切削深度；alim（n）为保持稳定切削的极限切深，该值需要与主轴转速匹配。

图5.13　切削行l1对应的切削参数优选结果

根据上述约束条件，在图中进行切削参数优选，保证同时控制单行刀位轨迹内切削颤振和强迫振动。图5.13所示为机匣加工切削行l1对应的切削参数优选结果。机床许用的最大主轴转速为8000 r/min，半精加工工序选用的切削深度为0.5 mm。从图5.13中可以发现，能够保证不发生切削颤振的主轴转速范围为3175～3779 r/min，并且当主轴转速选取在3702 r/min附近时会发生强迫振动。选取主轴转速的调整区间为200 r/min，选取主轴转速可选范围的中间值3477 r/min为切削行l1使用的主轴转速。主轴转速3377～3577 r/min区间不覆盖强迫振动幅值放大4区，可以同时避免整行刀位轨迹内切削颤振和强迫振动的发生。主轴转速3377～3577 r/min区间对应的容错切深为0.638 mm，即该区间内允许的轴向切深波动范围为0.138 mm。当强迫振动幅值放大区位于主轴转速许用区间中部造成主轴转速难以选取时，优先在许用区间右侧选取主轴转速，此时可以获取较大的容错切深，同时为了保证稳定切削可以适当缩小主轴转速的调整区间。