【摘 要】
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TC4钛合金以其优异的材料性能在航空航天、精密机械等领域发挥着关键作用,其中TC4薄壁件的应用日益广泛,且对尺寸精度和加工质量的要求逐步提高。而TC4钛合金作为典型的难加工材料,切削性能差;相较于厚壁零件,薄壁件刚性低,工艺参数选取不当时,极易发生颤振,导致切削力升高,刀具磨损加剧,严重制约加工质量和生产效率。同时TC4薄壁件切削时的弹性变形极易产生加工不稳定现象,从而加大微铣削的理论切削厚度,形
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TC4钛合金以其优异的材料性能在航空航天、精密机械等领域发挥着关键作用,其中TC4薄壁件的应用日益广泛,且对尺寸精度和加工质量的要求逐步提高。而TC4钛合金作为典型的难加工材料,切削性能差;相较于厚壁零件,薄壁件刚性低,工艺参数选取不当时,极易发生颤振,导致切削力升高,刀具磨损加剧,严重制约加工质量和生产效率。同时TC4薄壁件切削时的弹性变形极易产生加工不稳定现象,从而加大微铣削的理论切削厚度,形成不均匀的切屑,导致加工表面凹凸不平。为提高TC4钛合金薄壁件微铣削的加工质量,必须明确影响切削过程稳定性的因素,避免出现严重的切削振动,实现无颤振铣削。本文针对TC4钛合金薄壁件微铣削表面质量存在的问题,研究薄壁件微铣削的动力学特性,通过仿真获得铣削稳定性叶瓣图进行稳定性分析,利用多信号分析试验结果,主要研究内容如下:（1）从传统铣削理论瞬时未变形切削厚度出发,分析微铣削加工机理,将尺寸效应、微铣刀跳动效应和薄壁件加工变形的影响考虑进来,推导出瞬时未变形切削厚度解析模型;分别建立薄壁件微铣削剪切阶段、犁切阶段和剪切-犁切混合阶段的铣削力模型。（2）采用试验结合理论分析的方式提取切削力系数,设计试验获取微铣刀跳动参数;利用Abaqus有限元仿真软件,对铣刀-工件组合进行模态分析和扫频分析,提取出动力学参数。（3）分析薄壁件铣削系统的结构布局,建立铣刀-工件子系统的动力学模型,采用全离散法对动力学模型进行时域仿真,根据Floquet理论,判断系统是否处于稳定状态,并通过Matlab绘制出微铣削稳定性叶瓣图;研究了影响铣削稳定性的主要因素,并分析其影响规律。（4）设计验证试验,使用1mm的硬质合金立铣刀,侧铣一定高厚比的TC4薄壁件,以此进行铣削试验研究,分析了不同铣削参数下信号的时域变化趋势,通过FFT分析研究两个信号的频域分布情况,并结合已加工表面质量情况,判断该铣削参数下的系统稳定状态。研究结果表明:稳定性叶瓣图预测的稳定域内,两大信号的时域图基本稳定在固定区间内,频域图只有刀齿通过频率及谐振频率;而在非稳定域内,信号的时域图始终在波动,频域图中找到了若干颤振频率,并发现在刀齿通过频率附近产生了密集分布的信号;与低刚度,高固有频率的薄壁件相比,低刚度,低固有频率的薄壁件更易发生颤振,相应地,其机加工表面效果不好,当主轴激振频率与薄壁件系统的固有频率重合时,系统的某一阶模态被激发,并产生强烈的振动,进而导致颤振;特别地,在研究不同径向切深对铣削稳定性影响的试验中,随着切削过程的进行,能够从铣削力信号和加速度信号的时域图中观察到明显的“分层”现象,并将铣削过程分为稳定,轻微颤振和严重颤振三个状态,这一点也能在信号的频域图以及工件表面加工质量图中得到印证。
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