作者：张毅
薄壁结构件刚度较低、工艺性差，并且加工精度要求也很高。在高速加工中，刀具与工件之间的相对振动破坏了零件的加工质量和表面精度，降低了加工系统的寿命和切削效率，还会产生强烈的噪声，严重时使切削加工无法进行，极大地延缓了机械产品的制造周期。因此，切削颤振是影响加工精度和切削效率的关键问题之一。
国内外对颤振做了大量的研究，Altintas和Budak提出频域解析算法来获得铣削加工稳定性叶瓣图，并将其应用于薄壁零件（以下简称为薄壁件）的加工。Gregoire Peigne，Henri Paris等使用刚性刀具加工柔性工件的方法，基于单自由度铣削颤振模型，进行了小径向切深下铣削动力学特性的数值仿真和实验研究，指出由于再生颤振引起的切削振动对工件加工表面有很大的影响。汤爱君建立了薄壁件铣削稳定性动力学模型，研究了铣削稳定性的影响因素和参数的优化问题。宋清华建立了一种完善的高速铣削稳定性动态优化方法，并提出一种获得最优切削参数的分析方法。汪通悦、何宁等对薄壁件切削稳定性的切削参数进行试验，对进一步优选切削参数提供了很好的指导。丁烨建立了动态切削厚度再生效应的铣削动力学模型，并以全离散法探讨了其稳定性，通过实验验证了全离散法的准确性和该模型的有效性。梁岩里等对框体类进行了动态分析，提出了一种在颤振域内进行切削参数优化来控制颤振的方法，并通过切削实验验证，较好地解决了加工颤振问题。刘维伟等使用全离散时域法对切削阶段进行研究，根据薄壁零件加工过程中固有频率的变化，提出了共振区的概念。
1 薄壁件切削稳定性理论模型
1.1 建立动态铣削模型
研究薄壁件的铣削稳定性，首先要对薄壁件铣削系统进行动力学分析，然后建立切削颤振模型和结构响应模型，从而进行切削颤振系统的稳定性预测。为使分析过程简化，必须对实际切削系统进行离散和抽象，以方便进行理论描述和数学表示：
(1)工件是薄的、各向同性的、悬臂型薄壁零件，并且在加工区域内，工件可以看作是一个柔性体，刀具的刚性远大于工件的刚性，工件只沿z方向产生动态位移。
(2)忽略由于加工变形和材料去除而导致的工件加工系统动态特性的变化。
根据假设，薄壁件在铣削过程中由于再生颤振而得到的动力学模型可简化为如图1所示的模型。
1.2 一维铣削系统稳定性求解
根据动力学简化模型，使用频域法建立单自由度振动系统的运动微分方程为：
其中：x(t)为在x方向上的振动位移；F(t)为动态切削力；m为振动系统的等效质量；c为振动系统的等效阻尼；k为振动系统的等效刚度。
根据已建立的铣削动力学颤振模型，选取2齿的立铣刀，经试验测定铣削系统的固有频率为679 radls(108. 12 Hz)，阻尼比为0.038，模态刚度为164 N/mm。取铣削力系数K，=1 240 MPa、K，-0. 309，取铣刀半径aD=6 mm，径向切深n，-0.1 mm，薄壁工件尺寸为100 mm×50 mm×2 mm，试用材料为2AL2。通过MATLAB模拟仿真，绘制单自由度频域稳定性叶瓣图（见图2），从而可以进行切削参数的理论预测。
2基于颤振控制的切削参数研究
本文以8组数据作为研究对象，通过对叶瓣图进行分析，从中选择合理的加工参数对实际加工进行指导。具体切削参数分布如图2所示。
在薄壁件的加工过程中，发生切削颤振的种类和原因很多，既与切削过程有关，也与切削系统、工件的刚度和材料等有关。到目前为止，大多数有关切削颤振的研究都是以切削振动的预测和控制为目的。针对切削颤振，按照控制方式的不同，主要分为主动控制和被动控制。主动控制主要为调整切削参数的控制方法。被动控制主要靠进行结构改进与优化设计和采用吸振器与附加辅助装置的控制方法。本文仅从切削参数的角度出发，将所研究的8组数据应用于颤振稳定性图。从图2中可以看出，切削参数的选择对颤振控制尤为重要，通过合理选择切削参数可以减小切削振动。
切削颤振直接影响零件的产品质量，薄壁件加工时由于自身的弱刚性，铣削过程的间歇切削特性是产生切削振动的主要因素。因此，在叶瓣稳定区内，应该选择远离薄壁件固有频率的一组参数，根据铣削刀齿激振频率公式in=n×N/60（n为转速，N为铣刀齿数）对所选的参数进行分析，表1为8组刀齿参数的激振频率。同时，根据主轴旋转激振频率公式i轴一n／60对所选参数进行分析，表2为8组主轴参数的激振频率。
由分析可得刀齿第8组数据的激振力频率(in -533. 33 Hz)和主轴激振频率（i轴=266. 67 Hz）远大于薄壁件(108. 12 Hz)的固有频率。因此，使用该组参数进行加工时理论上不会引起切削颤振，满足切削稳定性条件。
3结论
薄壁件加工过程中切削颤振影响很大，在传统加工中，只能根据加工经验选择切削参数，加工效率很低。本文基于薄壁件颤振频域求解方法，研究了切削参数对切削稳定性的影响。通过使刀具和主轴的激振频率远离薄壁件固有频率的方法，合理选择切削参数，以避免切削颤振，从而为叶轮和框体类薄壁件铣削振颤的控制和工艺参数优化提供理论依据。本文仅以单模态颤振原理进行分析，未考虑多模态及加工过程对固有频率的影响，这可以作为后续的研究方向。
4摘要：颤振现象是薄壁零件加工过程中的普遍问题，以壁板零件为模型，通过对加工过程中颤振的原理进行分析，建立薄壁件一维铣削稳定性理论模型，绘制了频域颤振稳定性叶瓣图。基于叶瓣图，提出一种通过优选切削参数来控制颤振的方法，最终获取了避免加工颤振的理论加工参数，对减小或消除颤振提供了有益的指导。
