TC4鈦合金、TC11鈦合金等鈦合金材料銑削加工中的過程阻尼效應問題

對鈦合金銑削加工中的過程阻尼效應進行分析及實驗驗證。鈦合金是航空常用的、典型的難加工材料，其單位面積切削力大，在加工中極易產生顫振、惡化表面質量、損壞刀具。鈦合金切削加工的顫振問題，是制約航空制造效率和質量的重要問題。過程阻尼效應來源于后刀面與工件表面振動波紋干涉產生的犁耕效應，利用隱式龍格庫塔法，計算典型鈦合金材料銑削加工中干涉產生的侵入面積以及阻力，建立考慮過程阻尼的非線性模型。計算結果表明：相對于傳統(tǒng)的、不考慮過程阻尼的線性動力學模型，非線性模型中的低速區(qū)極限切深可顯著提高；實驗結果表明：該模型能較為準確地預測低速區(qū)的穩(wěn)定性極限，為加工參數選擇提供重要參考。

鈦合金一直被廣泛應用于航空制造工業(yè)，其具有比強度大、密度小、耐熱性強以及耐低溫等優(yōu)良綜合性能，用它制造飛機零部件，不僅可以延長飛機使用壽命，而且可以減輕重量，降低燃料消耗，從而大大提高其飛行性能。

但鈦合金同時是一種典型的難加工材料，其導熱性差、化學活性高、加工硬化嚴重、刀具壽命短，并且由于單位切削力大、加工過程中極易發(fā)生顫振，顫振給工件留下的斜狀振紋，往往需要手工珩磨去除，影響加工效率，嚴重的直接導致工件報廢，甚至毀壞刀具，鈦合金加工的顫振問題，是制約航空制造質量和效率的一大瓶頸。

控制顫振的方法一般均可歸結為增加系統(tǒng)阻尼。切削系統(tǒng)阻尼可分為機床結構阻尼和由刀具后刀面與工件表面相互干涉而產生的阻尼，亦稱為過程阻尼（process damping）。過程阻尼的建模和標定是近年國際學術界的研究熱點，加拿大著名學者Altintas曾將其列為切削顫振中尚未解決的研究難點[1]。

Tlusty和Sission等人最早發(fā)現切削加工中的過程阻尼現象，隨著切削速度降低，車削加工的穩(wěn)定性極限可顯著提高[2～4]。Sission 還歸納出，切削速度、刀具后角和刃口半徑是影響過程阻尼的關鍵因素[4]。后來諸多學者針對過程阻尼進行研究，指出后刀面與工件表面振動波紋干涉形成的作用力是過程阻尼的來源[5～8]。文獻[9]通過一系列正交試驗，識別動態(tài)切削力中的過程阻尼系數，該試驗由快速伺服系統(tǒng)控制，使得刀具以預期頻率和振幅振蕩，但該試驗系統(tǒng)較為復雜，工作量很大。Budak和Tunc等人克服了試驗建模的弱點，在過程阻尼建模和系數標定方面，進行了較為細致的工作[10～12]。文獻[10]將正交車削的穩(wěn)定性極限預測解析法和顫振實驗相結合，利用二者獲取的極限切深，直接標定過程阻尼系數。基于此，又結合能量分析，獲取侵入力系數，之后計算侵入面積和切削力，建立車削的穩(wěn)定性分析模型。文獻[12]系統(tǒng)分析了切削參數和刀具幾何參數對過程阻尼的影響。Ahmadi和Ismail等基于小振幅假設，將過程阻尼等效為線性粘性阻尼，利用半離散法，計算銑削穩(wěn)定性極限，該模型具有一定局限性，預測出的穩(wěn)定性極限低于實驗值[13]。

目前，國際上對于過程阻尼的研究，主要集中在車削方面，對于銑削加工的過程阻尼，尚缺少完善的動力學分析模型。其自由度多，受力分析需要坐標轉換，切削力方程中存在時變系數，對于侵入面積和過程阻力的描述遠較車削困難。而國內尚未有學者對過程阻尼進行深入研究，在目前現有文獻中，切削穩(wěn)定性分析均采用較為傳統(tǒng)的線性模型[14，15]，未考慮過程阻尼，該模型在低速區(qū)會產生很大誤差。而對于鈦合金加工來說，為保證刀具壽命，切削速度一般較低，這時如果還采用常規(guī)的線性模型，預測的極限切深遠低于實際極限切深，勢必會影響加工效率。

　　鑒于此問題，本文建立一考慮過程阻尼的銑削動力學模型，利用隱式四階龍格庫塔法，計算典型鈦合金材料加工時，刀具后刀面與工件振動波紋的侵入面積以及干涉阻力，繪制穩(wěn)定性極限圖。最終結合實驗得出結論，本文所建非線性模型，能夠較為準確地預測低速區(qū)的穩(wěn)定性極限，為鈦合金加工參數的選擇提供了參考。

鈦合金材料銑削中的顫振問題，是制約航空制造加工效率的一大瓶頸。為保證刀具壽命，鈦合金材料基本以較低速度進行切削。這時如果按照傳統(tǒng)的線性模型，穩(wěn)定性極限很低，按照線型模型選擇切深，將對加工效率非常不利。本文針對此問題，建立了考慮過程阻尼的非線性銑削動力學模型，計算由犁耕效應形成的侵入面積，以及過程阻力。通過時域仿真方法計算臨界切深。實驗結果表明，本文提出的計入過程阻尼的非線性計算模型能夠較為準確地預測鈦合金加工時低速區(qū)的穩(wěn)定性極限。這樣就為鈦合金加工時，常規(guī)工作速度下的參數選擇提供了必要參考。 參考文獻：

[1] Altintas Y， Weck M. Chatter stability in metal cutting and grinding[J].Annals of the CIRP， 2004，53（2）：619―642.

[2] Sisson T R， Kegg R L. An explanation of lowspeed chatter effects[J]. ASME Journal of Engineering for Industry，1969， 91（4）：951―958.

[3] Tlusty J. Analysis of the state of research in cutting dynamics[J]. Annals of the CIRP， 1978， 27（2）：583―589.

[4] Tlusty J， Ismail F. Special aspects of chatter in milling[J].ASME Journal of Engineering for Industry， 1983， 105（1）：24―32. 　　[5] Wu D W . A new approach of formulating the transfer function for dynamic cutting process[J]. ASME Journal of Engineering for Industry， 1989，111（1）：37―47.

[6] Elbestawi M A， Ismail F， Du R， et al. Modeling machining dynamic including damping in the toolworkpiece interface[J]. ASME Journal of Engineering for Industry， 1994，116（4）：435―439.

[7] Lee B Y， Tarng Y S， Ma S C. Modeling of the Process damping force in chatter vibration[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture ， 1995，35（7）： 951―962.

[8] Shawky A M， Elbestawi M A. An enhanced dynamic model in turning including the effect of ploughing forces[J].ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering， 1997，119（1）：10―20.

[9] Altintas Y， Eynian M， onozuka H. Identification of dynamic cutting force coefficients and chatter stability with process damping[J].CIRP AnnalsManufacturing Technology， 2008，57（1）：371―374.

[10] Budak E， Tunc L T. A new method for identification and modeling of process damping in machining[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering， 2009，131（5）：1―10.

[11] Budak E， Tunc L T. Identification and modeling of process damping in turning and milling using a new approach[J]. CIRP AnnalsManufacturing Technology， 2010，59（1）：403―408.

[12] Tunc L T， Budak E.Effect of cutting conditions and tool geometry on process damping in machining[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2012，57： 10―19.

[13] Ahmadi K， Ismail F. Stability lobes in milling including Process damping and utilizing multifrequency and semidiscretization methods[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2012，54/55：46―54.

[14] Altintas Y. 數控技術與制造自動化[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002. Altintas Y. Numerical Control Technology and manufacturing Automation[M].Beijing： Chemical Industry Press，2002.

[15] Altintas Y， Stepan G， Merdol D， et al. Chatter stability of milling in frequency and discrete time domain[J]. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology， 2008，1（1）：35―44.

[16] Campomanes Marc L， Altintas Y. An improved time domain simulation for dynamic milling at small radial immersions[J]. Transactions of ASME Journal of Engineering， 2003，125：416―422.

[17] 林紫雄.間斷銑削的顫振穩(wěn)定性研究[D].南京：南京航空航天大學，2011. Lin Zixiong.Research on the chatter stability of the interrupted Milling[D].Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2011.

[18] 劉強，李忠群. 數控銑削加工過程仿真與優(yōu)化―建模、算法與工程應用[M].北京：航空工業(yè)出版社，2011. Liu Qiang， LI Zhongqun. Simulation and Optimization of CNC Milling ProcessModeling，Algorithms and Applications[M].Beijing：Aviation Industry Press，2011. 　　[19] 宋清華.高速銑削穩(wěn)定性及加工精度研究[D].濟南：山東大學，2009. Song Qinghua.Highspeed milling stability and machining accuracy[D].Jinan： Shandong University，2009.

Abstract： The process damping in milling of Titanium alloy is analyzed and verified experimentally. Titanium alloy used commonly in aviation industry is one typical difficulttomachine material. Chatter usually occurs in machining of Titanium alloy because of high unit cutting force， which results in poor surface quality and damaged tool. Thus， chatter is one serious restriction for the quality and efficiency of aeronautical manufacture. The process damping results from ploughing effect， which was caused by interference between flank face and machined surface. The paper calculates the indentation area and resistance caused by interference in the milling of typical Titanium alloy and establish nonlinear model which consider process damping. The computing results indicate that limit cutting depth at low speed can be improved significantly relative to linear model and the experimental results indicates that the model can predict stability limitation at low speed accurately.

Key words： milling； chatter； Titanium alloy； process damping； ploughing effect.