前言、 在相控陣雷達的精密構件中，有許多深腔薄壁且很小內圓角的殼體類構件。此類殼體零件是相控陣雷達的核心功能單元，內部安裝了多種高頻微波電路和微電子器件。其殼體表面粗糙度、底面平面度直接影響內置電子器件的接地與冷卻效果，殼體零件外形尺寸的一致性又直接影響殼體組件的互換性。因此，對這類深腔殼體零件的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度都有很高的要求。
一、在這類零件的機械加工中，要用到很多細長刀具，即大長徑比刀具，而細長的大長徑比刀具擁有剛性差的特性。在使用大長徑比刀具切削的過程中，如果加工參數選擇不當，將出現刀具讓刀引發的零件尺寸偏差，以及刀具產生切削顫振導致的零件加工面切削振紋，這些勢必降低零件尺寸精度和表面質量。在常規的生產中，機械加工的切削參數主要依賴經驗和零件的試切獲得。在加工精密深腔薄壁殼體零件初期，由于加工工藝參數選擇不當，深腔薄壁零件的內側產生嚴重的切削振紋，后雖經反復試切獲得新的切削參數，能加工出合格零件，但加工穩定性較差，零件加工合格率和加工效率較低。這些促使我們考慮借助先進的科學手段獲取優化的數控加工切削工藝參數。利用先進的切削過程動力學仿真優化技術，借助創建數學模型、工程測試分析和仿真，通過對相關的切削機床進行動力學測試，以及對精密深腔薄壁殼體零件進行動力學仿真。在少量試驗驗證的基礎上，快速獲取精密深腔殼體等零件在不同加工階段的切削穩定域和優化的切削參數。避免加工過程中刀具的顫振，顯著提高零件表面質量、產品合格率和加工效率。
1數控加工工藝參數動力學仿真優化系統的組成基于動力學仿真數控加工工藝參數優化系統的組成如所示，主要包括：（1）建立系統實驗模態分析測試平臺，進行模態參數辨別實驗，測試切削機床―刀具的動力學特性；（2）建立零件不同加工階段的仿真分析模型，分析其對應的動力學特性；（3）借助“銑削過程動力學仿真優化系統”綜合確定不同刀具長徑比，不同加工階段情況下加工系統的切削穩定域和優化的切削參數。其作用是：合理選擇切削參數，有效地抑制細長刀具切削顫振現象，提高零件的加工質量和加工效率。
2深腔薄壁零件動力學特性仿真分析零件系統的模態參數對于整個切削系統（機床―刀具―零件系統）顫振穩定域的確定有著重要的作用?？紤]到零件的固有頻率會隨著零件幾何形狀的不同而改變，建立精密深腔殼體零件不同加工階段的仿真分析模型，利用美國MSC/NASTRAN /MARC等CAE軟件，按照實際裝夾方式對工件進行約束，通過有限元模態仿真分析，獲取各個階段的工件動力學特性和工件系統的模態參數，為切削穩定域的計算提供基礎數據。
如所示的薄壁深腔零件，在零件加工的初始階段，零件的剛性很好，即零件的固有頻率很高。對該零件來說，到加工后期，零件驅于變薄，隨之零件的剛性減弱，在加工過程中可能會引起零件的顫振。所以重點考慮加工到最終階段時的工件剛性。加工后期的零件半成品如所示。此時零件留有少量的加工余量，采用壓板壓緊的裝夾方案。經過MSC軟件分析，前10階模態如所示。這個階段的加工是銑去加工余量獲得最終零件。
從模態分析結果看，前兩階固有頻率低于1 000 Hz，在高速切削時，有可能引起顫振。從振型云圖來看，有較明顯的局部模態，這與該約束方式是局部壓緊有關，使得工件某些位置振動較大，在實際加工時，考慮增大壓板與工件的接觸面積，在一定程度上限制局部模態。而在后續確定加工顫振穩定域及優化切削參數時，需要考慮該零件的動力學特性。
3切削機床動力學特性測試切削機床動力學特性測試可分為軟件和硬件兩大部分。其中，硬件部分主要用于對機床進行振動模態實驗。
振動模態分析的根本目的在于找到激勵與響應之間的動力學關系，建立能夠反映系統本身固有動力學特性的模型。為了準確地仿真出在銑削加工過程中刀具的振動情況，需要獲得準確的反映刀具響應的預測模型或頻率響應函數φ（ jω）。在切削顫振穩定域分析過程中，加工系統傳遞函數分析是穩定域分析的基礎。機床系統動力學特性分析主要針對“機床―刀具”系統的振動模態加以研究，并在此基礎上進行綜合分析。
對于“機床―刀具”系統而言，考慮到機床與刀具系統的復雜性，不適合于通過仿真分析的方法來獲得模態參數。故通過對“機床―刀具”系統中的銑刀刀尖部分進行力錘沖擊實驗。通過模態參數辨別方法獲得頻率響應實驗數據，計算出實際系統的固有頻率ωn、阻尼比ξ、剛度系數k等動力學模型參數，從而得到反映實際“機床―刀具”系統的傳遞函數，為加工穩定域的計算提供必要的條件。模態分析結果如所示，并對系統進行顫振穩定域分析。
4機床―刀具系統顫振穩定域分析采用北京航空航天大學自主開發的“銑削過程動力學仿真優化系統”軟件，通過對數臺機床的顫振穩定域仿真結果的對比分析，可以發現刀具懸伸量變化嚴重影響整個機床系統的動態性能，相同直徑、材質的刀具，當其懸伸量不同時，其顫振穩定域的最小極限切深相差很大，各穩定瓣所對應的主軸轉速范圍也不同。
在同一臺機床上，相同直徑、材質的銑刀，顫振穩定域的最小極限切深將隨著懸伸量的增加而減?。活澱穹€定域的主穩定瓣將隨著懸伸量的增加由高速段向低速段偏移，這種趨勢在懸伸量相差較大時更加顯著。當刀具懸伸量達到一定值以后，“機床―刀具”系統的動態性能也發生特殊變化。
5實驗驗證針對某雷達精密薄壁深腔殼體零件（腔深52 mm，腔壁厚度1. 2 mm ）加工時出現切削振紋的問題，在對零件動力學特性分析、加工機床和刀具動力學測試的基礎上，進行加工系統的顫陣穩定域的仿真分析，其中機床和刀具分別為：機床型號：M IKRON HSM700、刀具（復合刀具的發展與應用）型號： FRA ISA、圓柱螺旋立銑刀的材質：硬質合金、直徑=10 mm、刀齒數=2、懸伸量=61. 6 mm.仿真結果如所示。
從仿真得到的機床―刀具顫振穩定域圖譜分析，如所示的優化工藝參數：主軸轉速N = 22 000～23 000 r/min；進給速度V f = 4 500 （mm /min） ；軸向切深A p≤1. 5 mm；徑向切深A e≤5 mm.在前期加工上述精密深腔薄壁殼體零件時，通過試切選用的工藝參數：主軸轉速N =16 000 r/min；進給速度V f =8 000 mm /min；軸向切深A p = 0. 8～1 mm；徑向切深A e = 0. 1～0. 6 mm.這組加工參數值落在仿真圖譜次選穩定域的邊緣。穩定域分析圖譜清晰地解釋了為什么在加工該精密深腔薄壁殼體零件時加工性能不穩定，零件側壁易出現振紋的原因。
根據該穩定域分析圖譜提供的優選穩定域進行加工驗證，當參數鎖定在主軸轉速N = 22 000 r/min；進給速度V f = 4 500 mm /min；軸向切深A p = 1. 40 mm；徑向切深A e = 4. 00 mm.不僅提高了該精密深腔薄壁殼體零件的加工質量穩定性、使零件的加工合格率提高到95%以上。而且改變了長期以來認定的高速銑必須采用高速度、少切削的理念。在提高主軸轉速的情況下，加大刀具的切削量，充分利用刀具的側刃進行加工，能顯著提高切削效率。
所示的顫振穩定域圖譜中標出了采用動力學仿真前后兩組加工數據，左邊的一組數據是我們根據經驗通過試切獲得的數據，右邊兩組數據是參照顫振穩定域圖譜進行試切的數據。從切削參數獲取情況和試驗結果看，通過動力學仿真途徑獲取的數控加工切削參數更快捷，更優化。不僅保證精密深腔零件的加工質量，還提高了零件的加工效率。
最后、為了快速確定合理的精密深腔薄壁零件銑削加工工藝參數，借助動力學仿真的數控加工工藝參數優化方法，通過建立銑削過程動力學系統實驗模態分析測試平臺，測試具體加工機床和不同長徑比的刀具的動力學特性，再應用"切削過程動力學仿真優化系統"獲取特定機床不同刀具特性、不同加工階段的加工系統切削穩定域和優化的切削參數。
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