前言、 在相控陣雷達的精密構(gòu)件中，有許多深腔薄壁且很小內(nèi)圓角的殼體類構(gòu)件。此類殼體零件是相控陣雷達的核心功能單元，內(nèi)部安裝了多種高頻微波電路和微電子器件。其殼體表面粗糙度、底面平面度直接影響內(nèi)置電子器件的接地與冷卻效果，殼體零件外形尺寸的一致性又直接影響殼體組件的互換性。因此，對這類深腔殼體零件的尺寸精度、位置精度和表面粗糙度都有很高的要求。
一、在這類零件的機械加工中，要用到很多細長刀具，即大長徑比刀具，而細長的大長徑比刀具擁有剛性差的特性。在使用大長徑比刀具切削的過程中，如果加工參數(shù)選擇不當(dāng)，將出現(xiàn)刀具讓刀引發(fā)的零件尺寸偏差，以及刀具產(chǎn)生切削顫振導(dǎo)致的零件加工面切削振紋，這些勢必降低零件尺寸精度和表面質(zhì)量。在常規(guī)的生產(chǎn)中，機械加工的切削參數(shù)主要依賴經(jīng)驗和零件的試切獲得。在加工精密深腔薄壁殼體零件初期，由于加工工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，深腔薄壁零件的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生嚴重的切削振紋，后雖經(jīng)反復(fù)試切獲得新的切削參數(shù)，能加工出合格零件，但加工穩(wěn)定性較差，零件加工合格率和加工效率較低。這些促使我們考慮借助先進的科學(xué)手段獲取優(yōu)化的數(shù)控加工切削工藝參數(shù)。利用先進的切削過程動力學(xué)仿真優(yōu)化技術(shù)，借助創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型、工程測試分析和仿真，通過對相關(guān)的切削機床進行動力學(xué)測試，以及對精密深腔薄壁殼體零件進行動力學(xué)仿真。在少量試驗驗證的基礎(chǔ)上，快速獲取精密深腔殼體等零件在不同加工階段的切削穩(wěn)定域和優(yōu)化的切削參數(shù)。避免加工過程中刀具的顫振，顯著提高零件表面質(zhì)量、產(chǎn)品合格率和加工效率。
1數(shù)控加工工藝參數(shù)動力學(xué)仿真優(yōu)化系統(tǒng)的組成基于動力學(xué)仿真數(shù)控加工工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的組成如所示，主要包括：（1）建立系統(tǒng)實驗?zāi)B(tài)分析測試平臺，進行模態(tài)參數(shù)辨別實驗，測試切削機床―刀具的動力學(xué)特性；（2）建立零件不同加工階段的仿真分析模型，分析其對應(yīng)的動力學(xué)特性；（3）借助“銑削過程動力學(xué)仿真優(yōu)化系統(tǒng)”綜合確定不同刀具長徑比，不同加工階段情況下加工系統(tǒng)的切削穩(wěn)定域和優(yōu)化的切削參數(shù)。其作用是：合理選擇切削參數(shù)，有效地抑制細長刀具切削顫振現(xiàn)象，提高零件的加工質(zhì)量和加工效率。
2深腔薄壁零件動力學(xué)特性仿真分析零件系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)對于整個切削系統(tǒng)（機床―刀具―零件系統(tǒng)）顫振穩(wěn)定域的確定有著重要的作用。考慮到零件的固有頻率會隨著零件幾何形狀的不同而改變，建立精密深腔殼體零件不同加工階段的仿真分析模型，利用美國MSC/NASTRAN /MARC等CAE軟件，按照實際裝夾方式對工件進行約束，通過有限元模態(tài)仿真分析，獲取各個階段的工件動力學(xué)特性和工件系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為切削穩(wěn)定域的計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
如所示的薄壁深腔零件，在零件加工的初始階段，零件的剛性很好，即零件的固有頻率很高。對該零件來說，到加工后期，零件驅(qū)于變薄，隨之零件的剛性減弱，在加工過程中可能會引起零件的顫振。所以重點考慮加工到最終階段時的工件剛性。加工后期的零件半成品如所示。此時零件留有少量的加工余量，采用壓板壓緊的裝夾方案。經(jīng)過MSC軟件分析，前10階模態(tài)如所示。這個階段的加工是銑去加工余量獲得最終零件。
從模態(tài)分析結(jié)果看，前兩階固有頻率低于1 000 Hz，在高速切削時，有可能引起顫振。從振型云圖來看，有較明顯的局部模態(tài)，這與該約束方式是局部壓緊有關(guān)，使得工件某些位置振動較大，在實際加工時，考慮增大壓板與工件的接觸面積，在一定程度上限制局部模態(tài)。而在后續(xù)確定加工顫振穩(wěn)定域及優(yōu)化切削參數(shù)時，需要考慮該零件的動力學(xué)特性。
3切削機床動力學(xué)特性測試切削機床動力學(xué)特性測試可分為軟件和硬件兩大部分。其中，硬件部分主要用于對機床進行振動模態(tài)實驗。
振動模態(tài)分析的根本目的在于找到激勵與響應(yīng)之間的動力學(xué)關(guān)系，建立能夠反映系統(tǒng)本身固有動力學(xué)特性的模型。為了準(zhǔn)確地仿真出在銑削加工過程中刀具的振動情況，需要獲得準(zhǔn)確的反映刀具響應(yīng)的預(yù)測模型或頻率響應(yīng)函數(shù)φ（ jω）。在切削顫振穩(wěn)定域分析過程中，加工系統(tǒng)傳遞函數(shù)分析是穩(wěn)定域分析的基礎(chǔ)。機床系統(tǒng)動力學(xué)特性分析主要針對“機床―刀具”系統(tǒng)的振動模態(tài)加以研究，并在此基礎(chǔ)上進行綜合分析。
對于“機床―刀具”系統(tǒng)而言，考慮到機床與刀具系統(tǒng)的復(fù)雜性，不適合于通過仿真分析的方法來獲得模態(tài)參數(shù)。故通過對“機床―刀具”系統(tǒng)中的銑刀刀尖部分進行力錘沖擊實驗。通過模態(tài)參數(shù)辨別方法獲得頻率響應(yīng)實驗數(shù)據(jù)，計算出實際系統(tǒng)的固有頻率ωn、阻尼比ξ、剛度系數(shù)k等動力學(xué)模型參數(shù)，從而得到反映實際“機床―刀具”系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，為加工穩(wěn)定域的計算提供必要的條件。模態(tài)分析結(jié)果如所示，并對系統(tǒng)進行顫振穩(wěn)定域分析。
4機床―刀具系統(tǒng)顫振穩(wěn)定域分析采用北京航空航天大學(xué)自主開發(fā)的“銑削過程動力學(xué)仿真優(yōu)化系統(tǒng)”軟件，通過對數(shù)臺機床的顫振穩(wěn)定域仿真結(jié)果的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)刀具懸伸量變化嚴重影響整個機床系統(tǒng)的動態(tài)性能，相同直徑、材質(zhì)的刀具，當(dāng)其懸伸量不同時，其顫振穩(wěn)定域的最小極限切深相差很大，各穩(wěn)定瓣所對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速范圍也不同。
在同一臺機床上，相同直徑、材質(zhì)的銑刀，顫振穩(wěn)定域的最小極限切深將隨著懸伸量的增加而減??；顫振穩(wěn)定域的主穩(wěn)定瓣將隨著懸伸量的增加由高速段向低速段偏移，這種趨勢在懸伸量相差較大時更加顯著。當(dāng)?shù)毒邞疑炝窟_到一定值以后，“機床―刀具”系統(tǒng)的動態(tài)性能也發(fā)生特殊變化。
5實驗驗證針對某雷達精密薄壁深腔殼體零件（腔深52 mm，腔壁厚度1. 2 mm ）加工時出現(xiàn)切削振紋的問題，在對零件動力學(xué)特性分析、加工機床和刀具動力學(xué)測試的基礎(chǔ)上，進行加工系統(tǒng)的顫陣穩(wěn)定域的仿真分析，其中機床和刀具分別為：機床型號：M IKRON HSM700、刀具（復(fù)合刀具的發(fā)展與應(yīng)用）型號： FRA ISA、圓柱螺旋立銑刀的材質(zhì)：硬質(zhì)合金、直徑=10 mm、刀齒數(shù)=2、懸伸量=61. 6 mm.仿真結(jié)果如所示。
從仿真得到的機床―刀具顫振穩(wěn)定域圖譜分析，如所示的優(yōu)化工藝參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速N = 22 000～23 000 r/min；進給速度V f = 4 500 （mm /min） ；軸向切深A(yù) p≤1. 5 mm；徑向切深A(yù) e≤5 mm.在前期加工上述精密深腔薄壁殼體零件時，通過試切選用的工藝參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速N =16 000 r/min；進給速度V f =8 000 mm /min；軸向切深A(yù) p = 0. 8～1 mm；徑向切深A(yù) e = 0. 1～0. 6 mm.這組加工參數(shù)值落在仿真圖譜次選穩(wěn)定域的邊緣。穩(wěn)定域分析圖譜清晰地解釋了為什么在加工該精密深腔薄壁殼體零件時加工性能不穩(wěn)定，零件側(cè)壁易出現(xiàn)振紋的原因。
根據(jù)該穩(wěn)定域分析圖譜提供的優(yōu)選穩(wěn)定域進行加工驗證，當(dāng)參數(shù)鎖定在主軸轉(zhuǎn)速N = 22 000 r/min；進給速度V f = 4 500 mm /min；軸向切深A(yù) p = 1. 40 mm；徑向切深A(yù) e = 4. 00 mm.不僅提高了該精密深腔薄壁殼體零件的加工質(zhì)量穩(wěn)定性、使零件的加工合格率提高到95%以上。而且改變了長期以來認定的高速銑必須采用高速度、少切削的理念。在提高主軸轉(zhuǎn)速的情況下，加大刀具的切削量，充分利用刀具的側(cè)刃進行加工，能顯著提高切削效率。
所示的顫振穩(wěn)定域圖譜中標(biāo)出了采用動力學(xué)仿真前后兩組加工數(shù)據(jù)，左邊的一組數(shù)據(jù)是我們根據(jù)經(jīng)驗通過試切獲得的數(shù)據(jù)，右邊兩組數(shù)據(jù)是參照顫振穩(wěn)定域圖譜進行試切的數(shù)據(jù)。從切削參數(shù)獲取情況和試驗結(jié)果看，通過動力學(xué)仿真途徑獲取的數(shù)控加工切削參數(shù)更快捷，更優(yōu)化。不僅保證精密深腔零件的加工質(zhì)量，還提高了零件的加工效率。
最后、為了快速確定合理的精密深腔薄壁零件銑削加工工藝參數(shù)，借助動力學(xué)仿真的數(shù)控加工工藝參數(shù)優(yōu)化方法，通過建立銑削過程動力學(xué)系統(tǒng)實驗?zāi)B(tài)分析測試平臺，測試具體加工機床和不同長徑比的刀具的動力學(xué)特性，再應(yīng)用"切削過程動力學(xué)仿真優(yōu)化系統(tǒng)"獲取特定機床不同刀具特性、不同加工階段的加工系統(tǒng)切削穩(wěn)定域和優(yōu)化的切削參數(shù)。
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