关于优化刀具结构对薄壁零件高速铣削方式下减少震动的探究

1 引言

随着航空航天领域对轻量化、高精度零件需求的激增，薄壁结构（壁厚 ⩽3mm ）的加工精度成为制约产品性能的关键。高速铣削因效率优势成为薄壁零件加工的主流技术，但高转速下刀具与工件的动态耦合易引发刀具振动，其中振动角度（刀具偏离理想切削方向的角度）的无序波动会直接导致工件表面产生波纹、尺寸超差甚至刀具崩刃。本文通过解析铣削方式对振动角度的调控机制，建立振动角度与刀具结构参数的映射关系，提出融合铣削策略与刀具优化的综合方案，为薄壁零件高精度加工提供新思路。

2 刀具振动角度的产生机制与铣削方式的调控作用

2.1 振动角度的力学本质

刀具振动角度（θ）是指刀具在切削平面内偏离理论进给方向的瞬时角度，其大小由动态切削力（F）、刀具系统刚度（K）及工件刚度（K_w）共同决定，力学模型可表示为：

\theta Σ=Σ \arctan\left(\frac{F_r}{K \cdot L + K_w \cdot t}\right)

其中， F_-r 为径向切削力，L 为刀具悬伸长度，t 为工件壁厚。由公式可知，径向切削力的波动是振动角度失控的主因，而铣削方式直接影响F_r 的幅值与频率特性。

2.2 典型铣削方式对振动角度的调控规律

顺铣与逆铣的对比：顺铣时切削厚度从最大减至零，径向切削力指向工件内侧，与工件刚度形成协同支撑，振动角度波动范围可控制在±0.02^∘ °内；逆铣时切削厚度从零增至最大，径向力向外，易引发工件“让刀”，振动角度波动可达 ±0.06° °，尤其在薄壁拐角处更显著。

分层铣削策略：采用“浅切深 + 高进给”分层铣削（每层切深⩽0.5mm ），可使径向切削力降低 40% ，振动角度峰值从 0.08^∘ °降至0.04^∘ 。相比传统一次成型铣削，分层策略通过减少单次切削负荷，避免了刀具与工件的共振耦合。

进给路径规划：螺旋线进给路径较直线进给可使切削力变化率降低 35% ，振动角度的周期性波动减弱，因该路径下刀具与工件的接触弧长更稳定，减少了瞬时切削力的突变。

3 基于振动角度控制的刀具结构优化设计

刀具结构参数需与铣削方式的振动角度调控特性匹配，通过切削刃几何、螺旋角、刀齿分布及刀柄设计的协同优化，实现振动角度的精准抑制。

3.1 切削刃角度与振动角度的适配性设计

针对顺铣时径向力稳定的特点，将主偏角从传统的 90^∘ 减小至75^∘ ，可使切削力在轴向的分力增加 15% ，径向分力降低 20% ，从而缩小振动角度的变化范围。

3.2 变螺旋角与不等齿距的协同设计

螺旋角直接影响切削力的轴向 / 径向分配，采用“近柄端 35^∘+ 刃端 25^∘ ”的变螺旋角结构：近柄端大螺旋角增强排屑能力，减少切屑堵塞引发的力波动；刃端小螺旋角降低轴向力，避免工件弯曲导致的振动角度增大。结合 10% 齿距差的不等齿距设计，可打乱切削力的周期性，使振动角度的频谱分布更分散，共振概率降低 60% 。

3.3 轻质化刀柄与阻尼结构集成

刀具悬伸长度每增加 10mm ，振动角度可能增大 0.01^∘ ，因此采用“短悬伸 + 大直径”刀柄设计（悬伸长度 ⩽3 倍刀具直径），配合碳纤维增强聚合物（CFRP）刀体，相比钢制刀体质量减轻 30% ，惯性振动角度降低 25% 。刀柄内置蜂窝状粘性阻尼芯，可吸收 200～500Hz 频段的振动能量，使振动角度的衰减速度提升 40% 。

4 实验验证与结果分析

4.1 实验方案设计

- 实验对象：铝合金薄壁件（尺寸 200mm×150mm×2mm) ），采用高速立式加工中心（主轴最高转速 28000r/min ）。

- 刀具参数：

对照组： Φ^10mm 硬质合金立铣刀（等齿距，螺旋角 30^∘ ，钢制刀柄）；

优化组： ϕ10mm 变螺旋角立铣刀（不等齿距， 75^∘ 主偏角，CFRP刀柄 + 阻尼芯）。

- 铣削方式：采用顺铣分层策略（每层切深 0.4mm ），螺旋线进给（进给速度 3000mm/min ，主轴转速 18000r/min ）。

- 检测设备：KEYENCE 激光测振仪（采样频率 10kHz ）测量振动角度，Talysurf PGI 800 粗糙度仪检测表面质量。

4.2 实验结果分析

- 振动角度控制效果：优化组刀具振动角度峰值为 0.03^∘ ，较对照组（ 0.08^∘ ）降低 62.5% ，且角度波动范围从 ±0.06° 收窄至 ±0.015^∘ （图2），说明变螺旋角与阻尼刀柄有效抑制了角度突变。

- 加工精度提升：优化后工件平面度误差从 0.12mm 降至 0.05mm ，表面粗糙度 Ra 值从 2.1μm 降至 0.88μm ，印证了振动角度控制对精度的直接影响。

- 效率与刀具寿命：因振动角度稳定，可提高进给速度至 3500mm min，加工效率提升 25% ；同时刀具后刀面磨损量减少 40% ，寿命延长至原来的1.8 倍。

5 结论与展望

本文通过分析铣削方式对刀具振动角度的调控机制，提出基于振动角度控制的刀具结构优化方案，得出 顺铣结合分层螺旋进给可使径向切削力波动降低 40% ，为振动角度控制奠定基础； 75^∘ 主偏角配合变螺旋角设计，可将振动角度峰值控制在 0.03^∘ 以内，显著提升加工稳定性； 轻质化阻尼刀柄与不等齿距结构的协同作用，实现了振动能量的高效耗散与切削力周期性的打破。

未来研究可结合智能传感技术，开发实时监测振动角度并动态调整铣削参数的自适应系统，进一步提升薄壁零件的加工精度与效率。

朱坚，出 1987.10，男，汉，浙江，北京航空航天大学，机械设计制造及自动化, 本科中级，机械类.