第1章 绪论
插铣作为一种新型的铣削方式，在制造业中得到了较为广泛的应用。对于难加工材料的*面加工，大型异构件、整体叶轮叶盘、切槽的加工，以及刀具悬伸长度较大的加工，插铣法的加工效率远高于常规铣削法，采用插铣法可使加工时间缩短一半以上。插铣法具有工件变形小、径向切削力小、刀具悬伸长度较大等优点[1]。
本章结合水电设备关键零部件水斗的加工，详细介绍插铣加工技术和插铣刀具的设计以及插铣加工技术在水轮机水斗加工中的应用。
1.1 插铣加工技术的研究
1.1.1 插铣加工的特点
插铣法又称Z轴铣削法，即在数控加工过程中，刀具沿刀轴方向直线进给，利用底部的切削刃进行钻、铣组合切削。插铣加工能降低刀具的径向切削力，使切削力保持稳定，刀具振动小。图1.1是插铣工艺原理示意图。
图1.1 插铣工艺原理示意图
由于插铣具有效率高、能够快速切除大量金属的优点，并且非常适合于加工难加工材料(如钛合金)和一些复杂*面的零部件，所以在许多领域尤其是在航空航天、水力发电等领域得到广泛应用[2]。例如，对于现代航空发动机的结构设计和制造，在发动机风扇、压气机、涡轮上采用整体叶盘结构是一项重要措施[3]。航空发动机整体叶盘的插铣加工，是提高整体叶轮粗加工切削效率的有效方法。冲击式水轮机水斗的制造材料是Cr13不锈钢，水斗插铣加工所需刀柄的长径比达14，采用插铣加工方式[4]，可快速去除多余材料，提高加工效率。但当流道开粗时，由于切削深度不均匀，如果工艺参数设置不当，易产生振动，刀具磨损较大，水斗前后缘处颤振现象严重，出现明显振纹[5]，如图1.2所示，由于刀具磨损严重，所以加工效率降低。过大的铣削振动不仅会造成加工表面质量的下降，而且会造成刀具破损失效，使得加工难以进行，尤其是在大余量的强力插铣加工中，刀片容易产生破损，如图1.3所示。
因此，如何获得满足异形*面插铣过程高效稳定切削和高品质加工的工艺方案，解决高效率粗加工或半精加工与刀具使用寿命之间的冲突，已成为航空航天发动机、水轮机等企业加工大型异形*面亟待解决的关键工艺问题。
随着国内外对插铣研究的不断深入，插铣技术的应用也越来越广泛，但是仍然有许多问题亟待解决：
(1)稳定性。插铣刀具的悬伸长度过长，刀柄的刚度很难保证，从而使得受力时容易发生弯*现象；而在插铣过程中，刀具不仅会受到切削力的影响，所受的扭矩也不能忽略，使得刀具中心在X、Y、Z三个方向上均有偏移，从而可能引起插铣过程中的颤振现象。
(2)刀具轨迹优化。虽然已有一些计算机辅助设计(computer aided design， CAD)/计算机辅助制造(computer aided manufacturing，CAM)软件中包含插铣模块，但是由于其本身模块的不完善性和技术人员插铣加工的经验仍然较少，如何确定初始加工位置和选择*优刀具路径的问题仍未能解决，这也在很大程度上限制了插铣技术在加工领域的应用。
(3)有关插铣动力学方面的研究仍然较少，从控制铣削力、铣削温度等方面来减小刀具磨损，确定较好的加工参数仍然很难实现。
1.1.2 插铣刀柄的减振设计与性能
在插铣过程中，刀具几何参数及加工参数选择不当，会对刀片产生极大的影响。为了节省材料和时间，插铣加工前的仿真分析与计算十分重要。
插铣刀的原料通常是硬质合金及其涂层，硬质合金拥有较高的韧性和抗弯强度，同时涂层部分材料的耐高温及耐磨损性能优良，因此插铣刀可适用于大进给量和较大切削速度的加工。然而，由于待加工材料的多样性，应选择不同类型和不同涂层的插铣刀，以保证工件表面质量。同时，刀具几何尺寸决定了切削力的大小，并且对加工时的刀具路径优化也有一定的影响。插铣过程中发生的振动会大大降低待加工工件精度，严重时会使刀具发生破损，特别是加工条件为大进给时，刀具很容易发生失效现象。
目前，山高刀具(上海)有限公司(简称山高公司)、伊斯卡刀具国际贸易(上海)有限公司(简称伊斯卡公司)、山特维克可乐满切削刀具(上海)有限公司(简称山特维克可乐满公司)等主要工具厂商都推出了自己的刀具产品。一部分厂家研发出刀具设计系统，根据加工理论，对刀具进行参数化设计。山高公司对插铣刀具的开发研究较为完善，图1.4是山高公司研发的R217/220.79-12A型刀具，进给量为0.10～0.25mm/r，切削速度可达到1000m/min。伊斯卡公司设计出TANG PLUNGE蝴蝶插铣刀，其型号为HTP-LNHT-0604，刀具的直径分别设计有16mm、20mm、25mm，可适用于插铣端部，该款刀具的优点是刀片的耐用度强，切削性能优良，同时在刀身处设计有冷却孔位置，可以达到降低温度、利于切屑排出等目的，具备较好的使用性。
当刀具的直径较小而刀柄要求较长时，刀具在受到一定的切削力后会产生明显的振动，即颤振。铣削加工过程中，颤振会使工件表面质量下降和精度降低[6]。此外，颤振还会严重影响刀具的破损率和产品的生产效率，成为机械加工中急需解决的问题[7]。因此，越来越多的专家和学者针对抑制颤振的方法进行研究。
颤振是由持续的无固定周期振荡外力施加在加工系统时所造成的一种振动，常见于金属切削，实际上是属于刀具、工件与机床三者之间的一种系统内部自激振动。切削颤振产生的原因是加工中刀具和工件间切削力的短时间大范围减小或者增大，常表现为加工中刀具相对于工件产生一种极其不稳定的相对振动，可表现为刀具预加工平面与实际加工表面间的相对波动偏差造成的振痕。颤振在产生大量噪声的同时，也对生产和加工有着极大的危害，甚至会对加工机床和工人产生威胁。
常见的振动类型包括自由振动、自激振动和受迫振动，其比例大约为1︰6︰13。自由振动的占比较小，因此主要研究自激振动与受迫振动。一般导致振动的原因包括：机床上的高速回转件不平衡，微小的偏差会逐渐增大离心力而导致激振力产生；机床中齿轮的尺寸误差、装配误差较大；切削过程本身的不平衡性，如切削力的周期变化会引起振动；外部一些不确定因素等引起设备的振动。
自激振动是当系统受到某些外力作用而使得切削力瞬时变化时，触发的自由振动导致切削力周期性的变化，系统的能量输入与振动状态相关。自激振动的频率往往与系统本身的固有频率相近，当输入能量大于瞬时消耗能量时，振幅会持续增大，反之减小，直至拥有稳定的振幅与频率。自激振动有再生型、摩擦型及耦合型三种，铣削加工过程中主要产生的是再生型振动。减少振动的主要方式有调整切削参数法、加工刀具不等齿距法、吸振隔振减振法以及过程阻尼法。切削参数的调整包括设置合理的切削速度、进给量及背吃刀量等。另外，受迫振动则是一种系统在外界周期性驱动力作用下产生的振动。
振动控制的方法根据系统内执行减振的部件性质主要分为主动控制和被动控制。被动控制是指在系统内添加吸振隔振装置，其结构可靠，加工简单，是现在研究*多、应用*广的方式，可分为改善材料法、动力减振法、冲击减振法、摩擦减振法和阻尼减振法等。主动控制是指通过加工过程中的动态信息采集，根据相应的动态参数如加速度、切削力等变化，提供即时的数据分析并反作用于系统从而起到抑制颤振的作用。
山特维克可乐满公司BT30型刀柄如图1.5所示，其*大长径比为16︰1，是现阶段比较先进的刀柄。该刀柄内部添加有动力减振装置，内部的阻尼材料从一开始的弹簧减振块逐渐发展到钨棒和阻尼油减振系统。
1.1.3 不等齿距插铣刀的设计与分析
插铣刀在进行加工时，一般为断续切削，会引发机床-刀具系统产生受迫振动，这是不可避免的[8]。常规的铣刀刀齿都是等齿距分布，如图1.6所示，这样的分布会使刀具在切削时受到周期性的外来冲击进而产生强烈振动，被加工表面质量得不到保障，刀具逐渐磨损[9]。
切削振动会造成以下四种危害：
(1)在被加工材料表面出现振痕；
(2)大大缩短机床和刀具的使用寿命；
(3)出现较强的噪声污染，对操作者正常的身体机能造成影响；
(4)降低生产效率。
周期性的冲击振动对加工系统带来的伤害是可以通过刀体结构的改变来进行削弱的，如将刀齿分布按不等齿距的形式进行安排，如图1.7所示。这样的铣刀在切削时的切削力波形图和原本的等齿距分布的铣刀不同，各刀齿的铣削力峰值将不尽相同，且持续时间也不再一致，从而打乱了原有的冲击周期性。
将不等齿距的理念引入切削加工领域是一种全新的加工方式，这种方式可以有效提高加工效率[10]。国内外开展相关研究已有多年，不等齿距插铣刀相比于等齿距插铣刀能够抑制颤振的基本原理是：改变切削过程建立的动力学
模型中的时滞项，打破等齿距插铣刀在加工过程中产生的再生效应，进而实现对颤振的抑制。
采用不等齿距插铣刀进行铣削加工时，*先根据插铣加工方式的特点建立不等齿距插铣刀铣削力模型，在频域范围内对其进行分析，研究其稳定性叶瓣图，通过仿真与试验验证不等齿距插铣刀的优越性，为实现水轮机水斗的高效加工提供理论和技术支撑。
切削加工的动态特性研究重点关注的是振动问题，具体表现为刀具与工件之间产生的一种强烈的自激振动，这种振动由加工过程中的动态切削力引起，并在机床-主轴-刀具-工件整个系统中维持振动不衰减。颤振现象的产生对工件表面、刀具磨损、机床系统平衡等一系列系统组成部分都会带来很大的影响，严重时甚至使切削无法进行。因此，有必要对颤振现象进行在线监控。切削振动按其物理形成原因可分为滞后型颤振、耦合型颤振、摩擦型颤振和再生型颤振四类。迄今为止，得到国内外学者普遍认可的颤振的产生机理是滞后效应、振型耦合效应、负摩擦效应和再生型效应。其中再生型效应和振型耦合效应被认为是*直接、*主要的两种激振机制。
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