薄壁零件的切削颤振研究

黄建华

摘 要：刀具和工件加工之间产生颤振，一直是我国机械重点关注的一项问题。其实，导致颤振现象发生的主要原因是，薄壁零件由于自身结构的特点，稳定性能相对较差，在切削过程中很容易发生变相和颤振的现象，严重影响了薄壁零件切削的准确性。因此，本文就薄壁零件切削顫振进行了分析和研究，希望对我国机械行业在薄壁零件加工生产中给予一定的帮助。

关键词：薄壁零件 切削 颤振 稳定性

中图分类号：TG50 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（a）-0108-02

由于薄壁零件的重量轻、使用材料节约俭省、构造紧凑等特点，在我国很多机械行业中得到了广泛应用，例如航空航天、机械制造等方面。薄壁零件主要是指零件壁厚小于2mm，其结构相对较为复杂，在加工过程中不仅工艺复杂，还容易出现一些问题，而颤振就是其中一个，只有加强对该方面的了解和分析，才能制定相应的解决方案，保证薄壁零件加工的稳定性。

1 切削颤振分析

1.1 自由振动

在薄壁零件切削过程中，加工系统受到某一种因素的影响产生冲击，也会引发薄壁零件切削颤振现象的发生。但是，该现象会因为自身加工系统中阻力的作用会很快消失，不会产生较大影响。

1.2 强迫振动

强迫振动主要是因为薄壁零件切削过程中，由于零件自身的断续性、切削形成的不连续性以及外部周期性或者非周期性都会产生干扰力，从而引发薄壁零件切削颤振现象的发生。

1.3 自激振动

自激振动也叫做颤振，是金属薄壁零件切削加工过程所特有的并且在没有周期性外力作用下，仅仅是加工所形成的一种剧烈振动，导致薄壁零件切削整个过程的稳定性严重下降。另外自激振动是自身系统所产生，对防振和消振等方面都带来了一定的难度，成为薄壁零件切削颤振重点研究的一项内容。

2 薄壁零件切削加工分析

薄壁零件结构复杂，刚度较低，加工余量大。就以薄壁套座为例，如图1所示，该薄壁最薄位置的厚度只有1mm。在加工过程中，受切削力、切削热及夹紧力等因素的影响，极易变形并且尺寸精度越高，薄壁零件切削加工的难度也会增大。

另外，在薄壁零件切削过程中，会受到周期性的作用产生颤振，而且颤振速度相对较快，刀具磨损程度也较为严重，影响了薄壁零件切削的精准性。在实际加工过程中，往往是过于注重传统的加工模式，根据自身的经验选择加工工艺参数，不仅成本较高、加工的效率较低，而且加工的周期也相对较长。

因此，在薄壁零件切削加工过程中，可以利用ANSYS的动力学进行分析，对整个过程进行模型构建分析，也为颤振的控制提供了相对合理、科学的控制方案，其动力方程式为：[M]{ü}+[C]{ū}+[K]{u}={F（t）}，其中，[M]为结构质量矩阵、[K]为结构刚度矩阵、[C]为结构阻力矩阵、{ü}为节点加速度矢量、{ū}为节点速度矢量、{u}节点位移矢量、{F（t）}为根据时间的变化，荷载所变化的函数。

将薄壁零件切削过程中，简化周期性的正弦作用力，构建一个有限元模型，对其进行动力学模型以及谐响分析，得到加工系统的动态响应。同时，可以对参数进行优化和分析， 保证薄壁零件切削的准确性，避免颤振现象的发生。

3 薄壁零件切削颤振控制分析

3.1 有限元模型的建立

（1）几何模型的建立。装夹系统是薄壁零件切削加工的主要构成，在构建模型的过程中，通过UG与ANSYS接口将UG模型导入到ANSYS Workbench中的DesignModeler模块中，从而建立几何模型。

（2）接触以及单元属性的设置。在加工的过程中，一定要装夹牢固并且在整个过程中不能发生松动、位移等情况。因此，在有限元模型构建过程中，一定要保证各个零件之间不会发生相对运动，避免在后期生产中发生颤振。

3.2 加强加工模型系统分析

（1）ANSYS模态。ANSYS模态是计算系统振动的数值，主要对加工中固有频率和振型等方面进行计算和分析，这也是薄壁零件加工动力学分析的基础。同时，在分析时应当对固有频率和振型进行确定，避免在加工过程发生共振现象。

另外，在薄壁零件加工过程中ANSYS模态不仅可以避免共振现象发生，还不会对刀具和零件造成太大的影响。

（2）加工模型系统。加工模型系统的确定是控制薄壁零件颤振的基础，主要可以从两个方面展开：①模型边界条件的分析，可以在基础底板平面与机床固定连接的位置，设置零件装夹，这样可以对整个加工状态进行有效控制；②对模型动态分析，一定要利用相应的计算公式，对动态模型进行分析和求解，保证薄壁零件加工的准确性。

3.3 加工系统谐响的分析

（1）谐响应边界的设置。设置零件装夹基础底板平板与机床固定的位置，这样可以起到固定的作用，避免松动引发薄壁零件切削颤振。另外，对接面中心为加工中刚性相对较差的位置，应当在单位荷载的基础之上对谐响应进行分析，单位荷载为：{F（x），F（x），F（z）}={1，1，1}，从而降低薄壁零件切削颤振现象发生的概率。

（2）结果分析。对薄壁零件切削颤振控制过程中，可以利用曲线形式对振动频率的变化进行准确记录，这样也可以保证薄壁零件切削加工的准确性。

3.4 构建薄壁零件切削颤振控制平台

在薄壁零件切削加工过程中，应当利用相应软件对加工和切削整个过程的数据进行全面分析，这样也为薄壁零件切削模型构建提供了重要的参考依据。另外，根据相应计算公式，以切削和加工过程中参数作为模型变量，颤振幅值为约束条件，材料去除效率为目标函，从而构建完善的颤振控制平台，降低薄壁零件切削颤振发生的概率。

4 结语

本文对薄壁零件切削颤振进行了简要的分析，对其发生原因提出了一些控制措施，例如有限元模型的建立、加强加工模型系统分析、加工系统谐响的分析等方面，通过对薄壁零件切削颤振机理和加工过程的分析，采取有效的控制措施，可以保证薄壁零件切削加工的准确性和稳定性，确保切削加工的顺利展开，从而避免薄壁零件切削颤振现象的发生。

参考文献

[1] 李红卫，师智斌，唐慧霖，等.薄壁钛合金零件切削颤振控制技术研究[J].航天制造技术，2015（2）：9-12.

[2] 汪通悦，何宁，李亮，等.薄壁零件的切削颤振研究进展[J].淮阴工学院学报，2014（1）：15-22.

[3] 汤爱君，马海龙.薄壁零件切削稳定性的研究现状[J].工具技术，2017（12）：11-13.