面向鈦合金銑削的變齒距立銑刀研究.pdf

1、鈦合金以其優(yōu)異的綜合性能廣泛應用于航空航天領域，但是由于它具有導熱系數低、高溫化學活性高和彈性模量小等特點，因此是一種典型的難加工材料。在切削過程中，大幅度的振動導致刀具磨損加快、表面質量難以控制、切削速度難以提高。同時，由于航空鈦合金零部件的結構設計特點，大量的材料需要從整塊坯料中去除，急需較高的加工效率。因此，效率和質量之間的矛盾成為制約航空航天制造業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。為了解決航空鈦合金易產生振動的問題，本課題以Ti-6Al-4V為加

2、工對象，借助于理論分析和試驗研究，對具有減振性能的變齒距銑刀減振機理和結構進行系統(tǒng)、深入地研究，該研究對于提供變齒距銑刀結構和加工參數優(yōu)化具有重要的理論指導意義，對于增強我國航空航天業(yè)的競爭力具有重大的實用價值。主要研究內容包括：
　　 ⑴針對鈦合金加工易振動，刀具偏心嚴重等特點，結合變齒距螺旋立銑刀的結構特點，建立了考慮銑刀偏心和銑刀變形影響的變齒距銑刀三維銑削動力學模型。通過銑削力試驗結果，用最小二乘法擬合出銑削力系數，并對

3、銑削力進行了仿真。基于銑削力模型分析了齒間角、螺旋角、軸向切深和徑向切深對y向銑削力影響，分析了銑刀偏心對離心力的影響。結果表明：從控制y向銑削力的角度來講，對于鈦合金加工應選擇較大的螺旋角、小的徑向切深和每轉進給量。
　　 ⑵考慮銑削干擾因素影響，建立了變齒距銑刀的銑削動態(tài)位移和動態(tài)銑削力模型，并根據穩(wěn)定性條件得到了變齒距銑刀銑削的極限切削深。為了深入研究銑削系統(tǒng)的穩(wěn)定性，開展了銑削系統(tǒng)的模態(tài)試驗，根據銑削系統(tǒng)的頻響函數得到了

4、銑削系統(tǒng)的模態(tài)參數，結合銑削力仿真數據，利用MATLAB軟件繪制出銑削系統(tǒng)的顫振穩(wěn)定性葉瓣圖，分析了銑刀結構參數、加工工藝參數及銑削系統(tǒng)模態(tài)參數對極限切深的影響，為優(yōu)化銑刀結構及加工工藝參數提供理論指導。結果表明：選擇大的齒間角差、小的徑向切寬，大的銑削系統(tǒng)剛度和阻尼有助于增加系統(tǒng)的極限切深，從而有助于增加銑削系統(tǒng)的穩(wěn)定性區(qū)域。
　　 ⑶為了分析銑削過程的異常行為，提出了基于時域、頻域和時頻域分析的銑削力和振動加速度信號分析方法

5、。采用干銑削順銑方式開展了銑削速度從80m/min增加到360m/min的鈦合金銑削試驗，并利用信號分析方法分析了不同銑削速度下的銑削力及加速度信號。比較了穩(wěn)定和非穩(wěn)定狀況下銑削力、已加工表面質量的不同，得到振動對銑削加工的影響以及銑削加工的最佳銑削速度，從而在保證銑刀壽命和加工表面質量的前提下，提高銑削效率。實驗結果表明：當顫振發(fā)生時，銑削力增加了61.9％-66.8％，表面質量降低，其表面粗糙度增加了34.2％-40.5％。其時頻域

6、分析即小波分析結果表明：顫振頻率處切削力幅值對銑削力的貢獻較大，因此應當避免顫振。
　　 ⑷基于頻譜線能量分布理論分析了變齒距銑刀的減振機理。以芯部直徑、螺旋角、前角、后角以及齒間角為影響因子，根據正交試驗設計方法設計了25把不同結構參數的螺旋立銑刀，借助于有限元軟件ABAQUS進行靜力學仿真，利用極差分析得到各結構參數對銑刀應力應變的影響規(guī)律；在保證銑刀前角、后角及芯部直徑恒定的前提下，改變齒間角及變螺旋角進行靜態(tài)仿真，得到兩

7、者對銑刀應力應變的影響規(guī)律?；陬l譜線能量分布原則，借助于MATLAB軟件仿真優(yōu)化了變齒距銑刀齒間角分布。結果表明：對于四齒銑刀，最優(yōu)齒間角為83°-97°-83°-97°和87°-93°-87°-93°；對于直徑為20mm的銑刀，銑刀芯部直徑在11.4mm-13.4mm之間，銑刀前角為7°-11°之間；銑刀后角不超過20°。變螺旋角36°-38°時銑刀有較好的剛度。
　　 ⑸基于變齒距銑刀結構優(yōu)化分析結果，設計出10種結構的銑

8、刀，進行了鈦合金銑削加工試驗，分析了因改變銑刀齒間角、螺旋角和增加變槽深結構對銑削加工的性能影響。通過時域、頻域和時頻域分析了銑刀的結構參數、銑削速度的變化對銑削力與銑刀振動位移的影響，得到了不同參數對銑削性能的影響規(guī)律。結果表明：變齒間角對銑刀的抑振效果最好，齒間角差越大，振動位移越小。當銑削速度為120m/min和150m/min時，銑削力激振頻率和機床固有頻率接近，造成了共振，從而加劇了銑削振動；銑削速度為1.50m/min時的顫