基于CutPro的切削顫振抑制研究

摘要：針對航空鋁合金結構件在切削加工過程中易發生切削顫振，導致零件表面質量以及精度不達標的問題，本文研究金屬零件切削加工顫振的產生機理和抑制方法，提出基于CutPro切削動力學仿真軟件的切削顫振抑制方法。分析刀具顫振穩定性葉瓣圖，對切削參數進行優化。切削試驗驗證了參數優化的有效性，優化后的切削參數能夠顯著降低切削顫振的發生頻率，提高零件表面質量。本文研究為航空制造型企業提供了一種簡單、高效并實用的鋁合金切削顫振抑制方法，實際應用價值很高。

關鍵詞：航空鋁合金結構件；國產大飛機；切削顫振；CutPro；參數優化

中圖分類號：TG54""""""""" 文獻標志碼：A

在航空工業中，鋁合金質量輕，強度和耐蝕性高，鑄造和塑性加工性能優秀，因此廣泛應用于各種結構件制造。在國產大飛機的制造過程中，鋁合金材料地位十分重要。

在切削過程中，切削顫振是一種常見的自激振動現象。切削系統通常由機床、刀具、零件和夾具組成，切削系統動態特性不穩定以及不恰當的切削參數會產生切削顫振現象。切削顫振不僅直接影響零件的表面質量和加工精度，而且可能引發刀具磨損、機床故障等一系列問題。這些問題不僅增加制造成本，還可能延長制造周期，對航空制造企業的生產效率和經濟效益產生負面影響。因此，研究和解決航空鋁合金切削顫振問題能夠提升產品質量和加工效率，推動航空制造技術發展。

1切削顫振研究現狀

切削顫振產生的原理可以分為摩擦顫振、振型耦合顫振以及再生顫振[1-3]。徐興等[4]利用Altintas再生型切削顫振預測理論建立了切削穩定性預測模型，根據試驗和參數分析系統探討了模態剛度、固有頻率、阻尼比和切削系數對切削穩定性的影響，優化切削工藝，提高生產效率。DING等[5]采用零階頻域法，結合有限元分析，分階段獲取零件在銑削過程中的模態參數，構建了薄壁件銑削的三維顫振穩定域模型。

隨著計算機技術不斷地發展，工程需求日益增長，切削動力學仿真軟件在金屬切削加工領域的應用越來越廣泛，成為優化切削參數、提高加工質量和效率的重要工具。王開發[6]使用AdvantEdge軟件基于復雜曲面薄壁件五軸數控加工的仿真結果和頻域法建立了動力學模型，利用模態分析和顫振穩定域構建驗證了非均勻余量工藝優化設計的可行性與有效性。韓旭[7]利用CutPro切削動力學仿真軟件計算顫振穩定域，求解機床最佳主軸轉速、進給速度和切削深度，提高表面質量和材料去除率，延長刀具和主軸壽命。盧輝[8]利用CutPro獲得穩定域葉瓣圖，以切削時間為優化目標，以切削深度、主軸轉速和每齒進給量為試驗因素，設計三因素四水平的正交試驗，獲得最佳工藝參數。

本文研究航空鋁合金零件基于CutPro的切削顫振抑制方法，根據具體切削實例驗證該方法的有效性，為航空制造型企業提供一種簡便、高效且實用的鋁合金切削顫振抑制方案。

2基于CutPro的切削顫振抑制方法

利用CutPro分析航空鋁合金零件在切削過程中的顫振現象，繪制顫振穩定性葉瓣圖，優化切削參數，達到抑制顫振的目的，具體方法如下。首先，針對發生顫振現象的零件進行敲擊試驗。在刀具或零件表面安裝加速度傳感器，使用力錘對刀具進行敲擊，測量并記錄刀具、機床、零件和夾具組成的系統在不同頻率中的振動響應數據。其次，利用CutPro對收集的振動響應數據進行分析，繪制系統的頻率響應曲線。分析這條曲線，使用CutPro計算系統的固有頻率、阻尼比和剛度等模態參數。固有頻率是當沒有外部激勵作用時系統自然振動的頻率，其與系統對不同頻率外部激勵的響應特性有統計學意義。阻尼比反映了系統對振動的阻尼能力，即系統振動能量隨時間衰減的速度，它與系統振動的穩定性和衰減程度有統計學意義。剛度為當系統受到外力作用時抵抗變形的能力，體現了系統的結構強度和穩定性。

在獲得模態參數后，結合刀具的具體參數（例如刀具材料、幾何形狀等）以及當前的切削參數（例如切削速度、進給量和切削深度等），利用CutPro繪制系統的顫振穩定性葉瓣圖，展示在不同切削參數條件下系統的顫振穩定邊界。根據葉瓣圖可知在當前切削參數條件下系統是否容易發生顫振，找到使系統處于穩定切削狀態的參數范圍。

根據葉瓣圖對切削參數進行優化。利用CutPro切削仿真直觀展示切削參數優化后顫振抑制的效果。

3基于CutPro的切削顫振抑制實例試驗分析

本文的研究對象為國產大飛機C919某鋁合金結構件。在實際加工生產過程中，當精加工該零件底角以及轉角時發生了顫振現象，底角以及轉角加工表面產生了較為明顯的振紋（如圖1所示）。在銑削加工過程中，主軸-刀柄-刀具系統（Spindle-Toolholder-tool System，SHT）具有高柔性，因此成為影響加工穩定性的關鍵。在精加工底角前零件整體結構剛性較好，因此，下文將重點研究SHT的動力學特性，尋找有效抑制切削顫振的方法。

3.1利用敲擊試驗獲得系統頻響曲線

利用系統動態剛度隨頻率變化的曲線圖來表示系統的頻率響應函數，表現了系統的動態特性，繪制穩定性葉瓣圖是分析系統模態、研究顫振抑制方法的基礎。

采用沖擊式力錘敲擊刀具，對系統施加瞬態激勵，激發其動態響應，在刀具敲擊點背面安裝加速度計來測量這個響應，這種響應直接反映機床結構的動力學特性。CutPro通過加速度傳感器獲取加速度信號，對這些信號進行2次積分處理，轉換為位移數據，結合敲擊力測量結果得到頻率響應函數。

在銑削加工過程中，在X、Y和Z3個方向，SHT系統都具有柔性。在Z方向結構剛性更大，因此當端銑刀銑削時，只需要考慮XY平面中的柔性。在這種情況下，可以忽略Z方向的動力學特性。

3.2模態參數分析

模態參數例如固有頻率、阻尼比以及模態剛度等能夠完整描述系統的動力學特性，揭示系統在不同頻率中的響應特性和振動模態。分析這些參數，深入了解系統的穩定性、阻尼效應以及頻率響應等性質，為后續的系統穩定性分析提供數據基礎。如圖2（a）所示，以SHT系統X方向（進給方向）的頻率響應函數為例，選取峰值點進行模態分析，峰值點對應系統的共振頻率即固有頻率。固有頻率是模態參數中的一個重要指標，它描述了當自由振動時系統的頻率特性。對頻響曲線進行濾波擬合，去除噪聲和干擾信號，提高分析的準確性和可靠性，擬合后的頻率響應函數如圖2（b）所示。分析計算擬合后多個峰值點對應的模態參數，得到SHT系統多個模態中的固有頻率、阻尼比以及模態剛度等，模態參數見表1。

3.3穩定性葉瓣圖分析

通過上文實驗及數據分析繪制SHT系統的穩定性葉瓣圖。穩定性葉瓣圖是研究顫振的重要方法，它表示機床主軸轉速與切削深度之間有統計學意義，展示了當主軸轉速與切削深度不同時系統的顫振穩定邊界。穩定性葉瓣圖可以直觀地指導工藝人員選擇合適的切削參數，有效減少切削顫振。

使用CutPro進行刀具配置，精加工底角刀具規格參數見表2，設置切削條件參數，包括主軸轉動方向、銑削模式、進給率、仿真的最大轉速以及徑向切寬等。

導入系統的模態參數，得到刀具-機床系統的顫振穩定性葉瓣，如圖3所示。橫軸為主軸轉速，縱軸為切深，深色區域為切削穩定區域，當進行工藝參數優化選擇時，應優先選擇深色區域內的主軸轉速與切深組合。

3.4切削參數優化以及仿真

在原切削過程中，主軸轉速為9000r/min，當加工底角時的切深接近5.4mm。這組切削參數落在圖3中的點1處，即深色穩定區域外。這表明在該切削參數條件下容易發生切削顫振，這與原切削結果一致。本研究使用的機床主軸最高轉速為20000r/min。參考顫振穩定性葉瓣圖對切削參數進行優化。將切深降至3mm，將主軸轉速提高至18000r/min。優化后的切削參數落在圖3中的點2處，即深色穩定區域。利用CutPro切削模塊對優化前后在2組切削參數條件下的零件表面粗糙度進行仿真分析。在原切削參數條件下底角的表面狀態如圖4（a）所示，其表面粗糙度較高，存在明顯不平整區域。優化主軸轉速和切深后底角的表面狀態如圖4（b）所示，其表面質量顯著提升，表面平整光滑。

3.5優化驗證試驗以及結果分析

采用優化后的切削參數，即主軸轉速18000r/min、切削深度3mm，進行實際切削驗證。零件底角和轉角處平整光滑，未出現切削顫振現象，達到了預期的效果（參數優化后切削效果如圖5所示）。

4結論

本文對國產大飛機C919某鋁合金結構件在切削加工過程中出現的切削顫振問題進行研究，提出一種基于CutPro切削動力學仿真軟件的切削顫振抑制方法。該方法針對發生顫振現象的零件，利用CutPro敲擊試驗獲得機床、刀具、零件和夾具組成的切削系統的頻率響應曲線，計算切削系統的模態參數，結合刀具參數以及切削參數繪制切削系統的顫振穩定性葉瓣圖，優化切削參數，利用圖表直觀展示切削參數優化后顫振抑制的效果。進行切削試驗，試驗結果表明優化后的切削參數能夠顯著降低切削顫振的發生頻率，提高零件表面質量。

本研究為航空制造型企業提供了一種簡單、高效、實用的鋁合金切削顫振抑制方法，實際應用價值很高。同時，本研究為進一步深入研究和優化航空鋁合金切削加工過程提供參考。

參考文獻

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[6]王開發. 復雜曲面薄壁件非均勻余量銑削顫振穩定性及工藝優化研究[D]. 上海：上海應用技術大學，2020.

[7]韓旭. 鋁飛輪殼數控加工工藝優化及仿真[D]. 大連：大連交通大學，2018.

[8]盧輝. 航空整體葉輪五軸數控加工仿真及參數優化研究[D]. 天津：天津職業技術師范大學，2016.