钛合金Ti6AL4V铣削加工的稳定性

李洪涛，　杜　红，　郭延艳

(1.黑龙江科技大学 工程训练与基础实验中心， 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学 理学院，哈尔滨 150022)



钛合金Ti6AL4V铣削加工的稳定性

李洪涛1，杜红2，郭延艳1

(1.黑龙江科技大学 工程训练与基础实验中心， 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学 理学院，哈尔滨 150022)

针对钛合金工艺性能差的问题，以钛合金Ti6AL4V为研究对象，通过模态实验和铣削力实验，分别测得特定刀具和工件系统的模态参数和铣削力系数。利用在不同切削参数下测得的切削力，应用完全平均和峰值平均两种算法，计算模型的切削力系数。以铣削动力学模型分析为基础，建立颤振稳定性边界曲线，获取无颤振高性能加工工艺参数。该研究可以为航空发动机叶轮叶片铣削加工工艺的优化，提供完善的理论依据。

钛合金； 切削力系数； 颤振； 稳定性

0　引　言

钛合金具有耐蚀性和耐热性好、强度高等特点，在航空发动机叶轮叶片部件上得到广泛的应用。但钛合金的工艺性能差，切削加工困难，其弹性模量仅为钢的50%，导热系数小，加工中产生的热量难以释放，易引起加工系统的振动[1]。因此，众多学者对钛合金的切削加工做了大量的研究[1-6]。其中，铣削加工过程的稳定性研究，是为了合理的选取切削转速和切削深度参数，来避免自激颤振的发生，并不断优化加工工艺参数，最终达到提高生产效率的目的。笔者以钛合金Ti6AL4V为研究对象，进行铣削加工实验，测得了不同参数下的切削力,并应用两种不同方法，即完全平均算法和峰值平均算法，计算模型的切削力系数。在计算稳定性边界时，对比不同径向切削深度对系统稳定性的影响。

1　单自由度铣削动力学模型

单自由度铣削动力学模型为

x(t-T))，

式中：ξ——阻尼比；

ωn——自然圆频率；

a——轴向切深；

mt——刀具模态质量。

时滞量T等于刀齿切削周期60/(Nn)，N为刀齿数，n是主轴转速。切削力系数h(t)为：

式中：Kt、Kr——切向与径向切削力系数；

φj(t)——第j个刀齿转角。

φj(t)=(2πn/60)t+(j-1)·2π/N。

函数g(φj(t))定义为：

式中:φst——切入角；

φex——切出角；

对于顺铣，φst=arccos(2a/D-1),φex=π；对于逆铣，φst=0，φex=arccos(1-2ae/D)，ae/D为径向切深与刀具直径之比。

式中：

2　模态耦合效应的铣削稳定性分析

铣削过程的刀具结构模态耦合效应，是指对刀具以模态实验法建模时，需考虑刀具坐标系下y向激励在x向产生的响应以及x向的激励在y向产生的响应。故模态质量矩阵M、阻尼矩阵C及刚度矩阵K的非对角项均非零。

考虑刀具结构模态耦合效应的动力学方程为：

模态参数使用丹麦B&K公司的3560C模块、加速度传感器和zmpact hammer 8206力锤，通过模态实验获取[3-4]，刀具模态参数:

3　实验分析

3.1实验方案及参数

实验所用机床为奥地利EMCO公司生产的ConceptMill155数控三轴加工中心，主轴最高转速10 000r/min，主轴功率4.5kW，进给速度10m/min。采用仪器包括Kistler9257B压电式测力仪、Kistler5070A多通道电荷放大器、Kistler配套采集卡。切削刀具采用整体硬质合金式四刃铣刀，具体参数：刀具直径D=8mm、刀齿数N=4、刀具螺旋角β=45°，刀齿长度h=40mm、安装悬长L=60mm，刀具材料为硬质合金。

采用四因素四水平正交实验法对高温合金Ti6AL4V进行切削力实验，测量切削力。实验数据见表1，其中ae是轴向切深、a是径向切深、c是切削速度、n是主轴转速、f是每齿进给。

实验铣削方式为逆铣，即铣刀的切削运动方向与工件进给运动方向相反。逆铣加工时，刀具与工件的切入角φst=0，切出角φex=arccos(1-2ae/D)。应用瞬时切削力公式：

将两种算法得到的切削力代入式(1)后，可得到对应的切削力系数，见表3，其中完全平均切削力为Fn，峰值平均切削力为Fm用表示。

表1　L16(44)四因素四水平正交试验表

图1　切削力随时间变化曲线

根据表1的实验数据进行切削实验，通过瞬时切削力公式可以得出表3的切削力系数计算结果。图1是采用表1中第15组数据进行切削实验时测得的切削力随时间变化曲线。

3.2切削力计算

完全平均算法，即计算多个周期内的切削力，算得其平均值。使用Matlab编写运算程序，分别调用实验中测得的各组有效数据，可以求出不同切削参数下的切削力在Fx、Fy、Fz三个方向上的值。

峰值平均算法，即取多个周期的波峰值，计算其平均切削力，结果见表2。表2中序号4和6两组实验序号因刀具损坏未测。

表2　切削力计算结果

表3　切削力系数计算结果

3.3三维稳定性lobe图

考虑模态耦合效应[5]，分别针对两组切削力系数进行研究。同时还考虑了刀具径向切削深度对稳定性边界的影响。图2是第一组刀具切削力系数在径向切深下的lobe图。

a　a=4 mm

b　a=1 mm

c　a=0.5 mm

Fig. 2Stability lobe of first set of cutting force coefficients in different radial cutting depth

通过观察图2中四组不同径向切深a下的稳定性，可知a对稳定性边界存在影响，当a=4时，与实验数据的吻合程度较好，随着a值的减小，稳定域变宽，这与实验数据并不相符。图3是第二组切削力系数的稳定性。

图3　径向切深 时的稳定性lobe图

Fig. 3Stability lobe of second groups of cutting force coefficients in radial cutting depth

图3使用了第二组切削力系数，并在切深a=4 mm时绘制了稳定性图，这种通过峰值平均切削力法得到稳定性图，更加符合实际加工情况，效果较好。

4　结束语

钛合金是一种难加工材料，以其为研究对象，进行模态实验和铣削力试验研究，计算切削力系数，建立模型的稳定性边界曲线。通过对比峰值平均法计算切削力更为合理，得出刀具径向切削深度对稳定性边界存在影响的结论。该实验可以为无颤振高性能加工工艺参数研究提供理论支撑，也可以为航空发动机叶轮叶片铣削加工工艺优化提供理论依据。

[1]杜红， 黄胜勇.钛合金Ti6AL4V铣削加工过程阻尼模型稳定性预报[J].黑龙江科技大学学报, 2014， 24(2)： 167-172.[2]李洪涛， 何绍会. 钛合金Ti6AL4V铣削力试验分析[J].工具技术， 2011, 11(2): 146-150.

[3]刘超，艾兴. 车削高温合金GH2132时切削力和表面粗糙度的建模与试验分析[J]. 工具技术, 2009， 19(1)： 10-14.

[4]汤爱君. 薄壁件高速铣削三维稳定性及加工变形研究[D].济南： 山东大学, 2009.

[5]丁烨. 铣削动力学—稳定性分析方法与应用[D].上海：上海交通大学, 2011.

[6]MAHDI EYNIAN. Chatter stability of turning andmilling with process damping[D]. [s.l.]: Vancouver, 2010.

Research on Milling Stability of titanium Alloy Ti6AL4V

LiHongtao1,DuHong2,GuoYanyan1

(1 Center for engineering training & basic experimentation, Heilongjiang University of science & technology,Harbin 150022; 2 School of science, Heilongjiang University of science & technology, Harbin 150022)

This paper is directed at improving the poor performance of titanium alloy. The study building on the titanium alloy Ti6AL4V involves producing the modal parameters and milling force coefficients of the particular tool and workpiece system using the modal experiment and milling force experiment; calculating the cutting force coefficients of the model using the cutting force measured in different cutting parameters, together with two methods, the full average algorithm and the peak average algorithm; and, establishing the boundary curve of flutter stability, based on the analysis of milling dynamics model and thereby obtaining the process parameters. The research may provide a theoretical basis for the optimization of aero engine blade milling process.

titanium alloy; cutting force coefficient; chatter; stability

(编辑　徐　岩)

2016-06-06

国家自然科学基金项目(51105135；51405138)

李洪涛(1984-)，男，黑龙江省依安人，讲师，硕士 研究方向：机械动态特性研究与仿真，E-mail:lihongtao0021@163.com 。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.04.012

TG54

2095-7262(2016)03-0405-04

A