前言、 在相控陣?yán)走_(dá)的精密構(gòu)件中，有許多深腔薄壁且很小內(nèi)圓角的殼體類構(gòu)件。此類殼體零件是相控陣?yán)走_(dá)的核心功能單元，內(nèi)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(nèi)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(duì)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(jī)械加工中，要用到很多細(xì)長(zhǎng)刀具，即大長(zhǎng)徑比刀具，而細(xì)長(zhǎng)的大長(zhǎng)徑比刀具擁有剛性差的特性。在使用大長(zhǎng)徑比刀具切削的過(guò)程中，如果加工參數(shù)選擇不當(dāng)，將出現(xiàn)刀具讓刀引發(fā)的零件尺寸偏差，以及刀具產(chǎn)生切削顫振導(dǎo)致的零件加工面切削振紋，這些勢(shì)必降低零件尺寸精度和表面質(zhì)量。在常規(guī)的生產(chǎn)中，機(jī)械加工的切削參數(shù)主要依賴經(jīng)驗(yàn)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(shù)選擇不當(dāng)，深腔薄壁零件的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重的切削振紋，后雖經(jīng)反復(fù)試切獲得新的切削參數(shù)，能加工出合格零件，但加工穩(wěn)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(jìn)的科學(xué)手段獲取優(yōu)化的數(shù)控加工切削工藝參數(shù)。利用先進(jìn)的切削過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化技術(shù)，借助創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型、工程測(cè)試分析和仿真，通過(guò)對(duì)相關(guān)的切削機(jī)床進(jìn)行動(dòng)力學(xué)測(cè)試，以及對(duì)精密深腔薄壁殼體零件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。在少量試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)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(wěn)定域和優(yōu)化的切削參數(shù)。避免加工過(guò)程中刀具的顫振，顯著提高零件表面質(zhì)量、產(chǎn)品合格率和加工效率。
1數(shù)控加工工藝參數(shù)動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化系統(tǒng)的組成基于動(dòng)力學(xué)仿真數(shù)控加工工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的組成如所示，主要包括：（1）建立系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行模態(tài)參數(shù)辨別實(shí)驗(yàn)，測(cè)試切削機(jī)床―刀具的動(dòng)力學(xué)特性；（2）建立零件不同加工階段的仿真分析模型，分析其對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性；（3）借助“銑削過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化系統(tǒng)”綜合確定不同刀具長(zhǎng)徑比，不同加工階段情況下加工系統(tǒng)的切削穩(wěn)定域和優(yōu)化的切削參數(shù)。其作用是：合理選擇切削參數(shù)，有效地抑制細(xì)長(zhǎng)刀具切削顫振現(xiàn)象，提高零件的加工質(zhì)量和加工效率。
2深腔薄壁零件動(dòng)力學(xué)特性仿真分析零件系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)對(duì)于整個(gè)切削系統(tǒng)（機(jī)床―刀具―零件系統(tǒng)）顫振穩(wěn)定域的確定有著重要的作用。考慮到零件的固有頻率會(huì)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(guó)MSC/NASTRAN /MARC等CAE軟件，按照實(shí)際裝夾方式對(duì)工件進(jìn)行約束，通過(guò)有限元模態(tài)仿真分析，獲取各個(gè)階段的工件動(dòng)力學(xué)特性和工件系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為切削穩(wěn)定域的計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
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(duì)該零件來(lái)說(shuō)，到加工后期，零件驅(qū)于變薄，隨之零件的剛性減弱，在加工過(guò)程中可能會(huì)引起零件的顫振。所以重點(diǎn)考慮加工到最終階段時(shí)的工件剛性。加工后期的零件半成品如所示。此時(shí)零件留有少量的加工余量，采用壓板壓緊的裝夾方案。經(jīng)過(guò)MSC軟件分析，前10階模態(tài)如所示。這個(gè)階段的加工是銑去加工余量獲得最終零件。
從模態(tài)分析結(jié)果看，前兩階固有頻率低于1 000 Hz，在高速切削時(shí)，有可能引起顫振。從振型云圖來(lái)看，有較明顯的局部模態(tài)，這與該約束方式是局部壓緊有關(guān)，使得工件某些位置振動(dòng)較大，在實(shí)際加工時(shí)，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(tài)。而在后續(xù)確定加工顫振穩(wěn)定域及優(yōu)化切削參數(shù)時(shí)，需要考慮該零件的動(dòng)力學(xué)特性。
3切削機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試切削機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試可分為軟件和硬件兩大部分。其中，硬件部分主要用于對(duì)機(jī)床進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)實(shí)驗(yàn)。
振動(dòng)模態(tài)分析的根本目的在于找到激勵(lì)與響應(yīng)之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，建立能夠反映系統(tǒng)本身固有動(dòng)力學(xué)特性的模型。為了準(zhǔn)確地仿真出在銑削加工過(guò)程中刀具的振動(dòng)情況，需要獲得準(zhǔn)確的反映刀具響應(yīng)的預(yù)測(cè)模型或頻率響應(yīng)函數(shù)φ（ jω）。在切削顫振穩(wěn)定域分析過(guò)程中，加工系統(tǒng)傳遞函數(shù)分析是穩(wěn)定域分析的基礎(chǔ)。機(jī)床系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析主要針對(duì)“機(jī)床―刀具”系統(tǒng)的振動(dòng)模態(tài)加以研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合分析。
對(duì)于“機(jī)床―刀具”系統(tǒng)而言，考慮到機(jī)床與刀具系統(tǒng)的復(fù)雜性，不適合于通過(guò)仿真分析的方法來(lái)獲得模態(tài)參數(shù)。故通過(guò)對(duì)“機(jī)床―刀具”系統(tǒng)中的銑刀刀尖部分進(jìn)行力錘沖擊實(shí)驗(yàn)。通過(guò)模態(tài)參數(shù)辨別方法獲得頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)際系統(tǒng)的固有頻率ωn、阻尼比ξ、剛度系數(shù)k等動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，從而得到反映實(shí)際“機(jī)床―刀具”系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，為加工穩(wěn)定域的計(jì)算提供必要的條件。模態(tài)分析結(jié)果如所示，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行顫振穩(wěn)定域分析。
4機(jī)床―刀具系統(tǒng)顫振穩(wěn)定域分析采用北京航空航天大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的“銑削過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化系統(tǒng)”軟件，通過(guò)對(duì)數(shù)臺(tái)機(jī)床的顫振穩(wěn)定域仿真結(jié)果的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)刀具懸伸量變化嚴(yán)重影響整個(gè)機(jī)床系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，相同直徑、材質(zhì)的刀具，當(dāng)其懸伸量不同時(shí)，其顫振穩(wěn)定域的最小極限切深相差很大，各穩(wěn)定瓣所對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速范圍也不同。
在同一臺(tái)機(jī)床上，相同直徑、材質(zhì)的銑刀，顫振穩(wěn)定域的最小極限切深將隨著懸伸量的增加而減小；顫振穩(wěn)定域的主穩(wěn)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(shì)在懸伸量相差較大時(shí)更加顯著。當(dāng)?shù)毒邞疑炝窟_(dá)到一定值以后，“機(jī)床―刀具”系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也發(fā)生特殊變化。
5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證針對(duì)某雷達(dá)精密薄壁深腔殼體零件（腔深52 mm，腔壁厚度1. 2 mm ）加工時(shí)出現(xiàn)切削振紋的問(wèn)題，在對(duì)零件動(dòng)力學(xué)特性分析、加工機(jī)床和刀具動(dòng)力學(xué)測(cè)試的基礎(chǔ)上，進(jìn)行加工系統(tǒng)的顫陣穩(wěn)定域的仿真分析，其中機(jī)床和刀具分別為：機(jī)床型號(hào)：M IKRON HSM700、刀具（復(fù)合刀具的發(fā)展與應(yīng)用）型號(hào)： FRA ISA、圓柱螺旋立銑刀的材質(zhì)：硬質(zhì)合金、直徑=10 mm、刀齒數(shù)=2、懸伸量=61. 6 mm.仿真結(jié)果如所示。
從仿真得到的機(jī)床―刀具顫振穩(wěn)定域圖譜分析，如所示的優(yōu)化工藝參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速N = 22 000～23 000 r/min；進(jìn)給速度V f = 4 500 （mm /min） ；軸向切深A(yù) p≤1. 5 mm；徑向切深A(yù) e≤5 mm.在前期加工上述精密深腔薄壁殼體零件時(shí)，通過(guò)試切選用的工藝參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速N =16 000 r/min；進(jìn)給速度V f =8 000 mm /min；軸向切深A(yù) p = 0. 8～1 mm；徑向切深A(yù) e = 0. 1～0. 6 mm.這組加工參數(shù)值落在仿真圖譜次選穩(wěn)定域的邊緣。穩(wěn)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(shí)加工性能不穩(wěn)定，零件側(cè)壁易出現(xiàn)振紋的原因。
根據(jù)該穩(wěn)定域分析圖譜提供的優(yōu)選穩(wěn)定域進(jìn)行加工驗(yàn)證，當(dāng)參數(shù)鎖定在主軸轉(zhuǎn)速N = 22 000 r/min；進(jìn)給速度V f = 4 500 mm /min；軸向切深A(yù) p = 1. 40 mm；徑向切深A(yù) e = 4. 00 mm.不僅提高了該精密深腔薄壁殼體零件的加工質(zhì)量穩(wěn)定性、使零件的加工合格率提高到95%以上。而且改變了長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)定的高速銑必須采用高速度、少切削的理念。在提高主軸轉(zhuǎn)速的情況下，加大刀具的切削量，充分利用刀具的側(cè)刃進(jìn)行加工，能顯著提高切削效率。
所示的顫振穩(wěn)定域圖譜中標(biāo)出了采用動(dòng)力學(xué)仿真前后兩組加工數(shù)據(jù)，左邊的一組數(shù)據(jù)是我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通過(guò)試切獲得的數(shù)據(jù)，右邊兩組數(shù)據(jù)是參照顫振穩(wěn)定域圖譜進(jìn)行試切的數(shù)據(jù)。從切削參數(shù)獲取情況和試驗(yàn)結(jié)果看，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真途徑獲取的數(shù)控加工切削參數(shù)更快捷，更優(yōu)化。不僅保證精密深腔零件的加工質(zhì)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(shù)，借助動(dòng)力學(xué)仿真的數(shù)控加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法，通過(guò)建立銑削過(guò)程動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試具體加工機(jī)床和不同長(zhǎng)徑比的刀具的動(dòng)力學(xué)特性，再應(yīng)用"切削過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化系統(tǒng)"獲取特定機(jī)床不同刀具特性、不同加工階段的加工系統(tǒng)切削穩(wěn)定域和優(yōu)化的切削參數(shù)。
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