采用具有可控流向的移动气幕支撑的薄膜铣削

《Precision Engineering》：Thin floor milling using moving air jet support with controllable flow direction

　　

• 开发了一种具有双向力能力（正压和负压）的移动式高压气射流支撑装置，用于薄底板铣削过程。
• 通过控制气射流流向，实现了正压和负压之间的自适应切换。
• 正压抑制低轴向切深下的振动冲击振动，而负压抵消轴向铣削力并抑制高轴向切深下的过切现象。
• 移动式气射流支撑避免了刚性支撑元件造成的背面表面损伤，同时在切削过程中提供了额外的冷却益处。

Introduction
具有多腔室结构的整体薄壁工件广泛应用于航空航天工业。目的是提高飞机（或航天器）的买飞比 [1]，同时确保工件的强度。多腔室结构通常通过高速加工制造。然而，由于薄壁或腔室底板的刚性低，在铣削过程中会发生不良振动和变形，这将导致最终形状的表面质量和零件精度变差。许多方法被开发用于抑制不良振动和零件变形，其中一个重要且有效的方法是增强铣削系统的刚度或（和）阻尼。

总结现有研究，典型的刚度或（和）阻尼增强方法是合适的夹具设计，包括模具式设计方法 [2]、带多点支撑的可重构柔性夹具 [3] 以及带移动支撑的动态夹具 [4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。模具式设计方法是根据工件背面构型开发模具状夹具。模具状夹具用于在铣削过程中支撑工件背面。这种方法不灵活，因为当零件形状改变时，模具状夹具需要重新设计。为了提高灵活性，许多研究致力于开发柔性填充介质，如氯丁橡胶 [14]、冰 [15]、蜡 [16]、磁流变液 [17]、[18] 或低熔点合金 [19]，以制造模具状夹具。带多点支撑的可重构柔性夹具是在工件背面放置几个夹具元件或阻尼器，这种方法增强了工件在某些位置的刚度或（和）阻尼，而不是像模具式设计方法那样增强整个表面。因此，与模具式设计方法相比，多点支撑方法更灵活。该方法中常用的夹具元件是真空吸盘 [1]。对于给定的工件，应该使用多少个夹具元件以及在哪里放置背面的夹具元件是该方法的两个重要前提。许多方法包括遗传算法 (GA) [20]、[21]、响应面方法 (RSM) 和人工神经网络 (ANN) [22]、结合克里金模型的鸽巢搜索算法 [23] 等，被用于优化夹具元件的数量及其布局。此外，夹具元件的夹紧顺序 [24] 和夹持工件时的夹紧力 [20] 也得到了研究。然而，当铣刀位于两个相邻支撑元件之间的区域时，轴向切深 (ADOC) 既不能太大也不能太小。如果轴向切深太大，工件的剩余厚度会越来越薄 [25]。另一方面，如果轴向切深太小，由于工件和铣刀之间的分离，两者之间会发生振动冲击振动，从而导致表面质量差 [26]。此外，夹持工件将花费大量时间，同时控制如此多的夹具元件也是一项困难的任务。

带移动支撑的动态夹具是最近开发的一种方法，用于提高薄壁工件铣削过程中的表面质量和零件精度。与支撑整个背面的模具式设计方法或在某些固定位置支撑背面的可重构柔性夹具不同，动态夹具随着刀具位置的改变动态支撑工件背面。也就是说，其支撑位置随铣刀的进给而变化。该方法通过在工件背面的投影区域放置夹具元件，并让它以与铣刀相同的速度移动来实现 [8]。移动的夹具元件增强了切削区域周围工件的刚度和阻尼。与可重构夹具相比，这种方法更灵活。移动支撑元件的适当设计是该方法的关键。Fei 等人 [4] 设计了一种基于刚性万向球的移动支撑元件，用于薄壁的侧铣。该支撑与工件实现点和滚动接触，这可以有效抑制工件的偏转模式，但不能抑制扭转模式 [5]、[27]。为了抑制工件的扭转振动，Fei 等人 [8]、Liu 等人 [28]、Liu 等人 [29] 提议在夹具中心使用一个刚性万向球，而在中心球周围放置另外六个万向球。Bao 等人 [30]、Bo 等人 [31] 和 Bo 等人 [32] 也开发了类似的支撑装置，其中 Bao 等人 [30] 和 Bo 等人 [31] 提出的支撑装置没有中心万向球，而 Bo 等人 [32] 开发的支撑装置有一个中心刚性万向球，周围均匀分布着三个万向球。Liu 等人 [10]、Tian 等人 [11] 和 Ding 等人 [33] 也基于 Mahmud 等人 [13] 提出了一种移动支撑装置以避免扭转振动。该移动支撑由一对磁模块组成，即主磁模块和从磁模块。主磁模块和从磁模块都有三组永磁体。永磁体组的中心形成一个等边三角形。一个针缸放置在等边三角形的中心。主磁模块安装在主轴上，而从磁模块放置在工件背面。从模块通过吸引力随主模块移动。可控支撑力通过针缸提供。跟随支撑夹具可以实时夹紧工件的铣削区域周围。

除了上述点接触支撑元件外，还开发了基于线接触的支撑装置。Ozturk 等人 [7] 设计了一种基于橡胶辊的圆柱形支撑元件。支撑元件放置在机器人上，在实际铣削过程中为工件提供额外的移动支撑。圆柱形支撑在铣削过程中与工件实现线和滚动接触。该方法通过惯性致动器 [34] 主动控制，扩展用于增加薄壁铣削期间的颤振稳定性。同样，Wan 等人 [9] 设计了基于滚动轴承的移动支撑元件。前述移动支撑装置实现正接触压力。当在小轴向切深下铣削时，切削位置的底板振动可能导致工件和刀具之间的分离，从而导致铣削过程的振动冲击振动 [26]。提供正接触压力的现有移动装置可以有效防止刀具和工件分离，从而抑制振动冲击振动。然而，如果移动装置的支撑元件是刚性的，它将导致工件背面表面损伤。

然而，在铣削腔室的薄底板时，通常使用右手螺旋刀具以便于排屑。对于从主轴看顺时针旋转的右手螺旋下行铣削，合力（对所有啮合齿积分）作用于刀具轴负方向——即拉动工件朝向刀具。当以较大的轴向切深铣削薄底板时，底板在拉力轴向铣削力作用下向工件变形，从而导致过切现象（随着切削进行，底板的剩余厚度变得越来越薄）。在这种情况下，如果支撑元件可以对工件施加一个与轴向铣削力方向相反的力。过切可以被有效抑制。不幸的是，现有的移动装置只能向工件提供单向力（正接触压力）以克服振动冲击振动。Mahmud 等人 [13]、Liu 等人 [10] 和 Tian 等人 [11] 证明的磁性跟随支撑的最新进展表明，可以通过永磁模块产生吸引力，从而在工件上提供拉力。但它们依赖于物理接触元件（针缸或滚动轴承），这可能会造成工件背面表面损伤。换句话说，现有的移动装置要么依赖可能损坏工件背面的接触元件，要么只能提供单向正压，使它们无法有效解决过切问题。因此，本文提出采用高压气射流支撑底板背面。气射流的流向可以改变，以根据需要产生正压或吸力。在铣削薄底板期间，气射流产生的正压可以抑制振动冲击振动，而吸力可以抑制过切。本文其余部分给出了所提方法的详细信息并验证了可行性。具体来说，第 2 节描述了方法原理，第 3 节建立了实验平台并进行实验以证明方法的有效性，第 4 节分析和讨论实验结果，并在第 5 节对整个研究进行总结。

Section snippets
Overview of the methodology
所提方法的示意图如图 1(a) 所示。图中的 Vf 表示铣刀的进给速度和气射流的跟随速度。图中的 Fx、Fy 和 Fz 分别表示三个方向上的三个铣削力分量。ns 表示主轴转速，而 Fjet 表示高压气射流施加在工件上的力。根据 Davies 和 Balachadran [26]，内在的冲击非线性在于

Experimental setup
根据上述部分描述的原理构建了一个实验平台，以证明所提方法的有效性。实验平台的示意图如图 2 所示。它由三个模块组成，即铣削模块、工件夹持模块和高压气射流支撑模块。图 3 所示是没有工件、夹具或测力仪的实际实验平台。

Critical ADOC based on the milling force signals
三次重复的力信号显示出一致的趋势和频率特性，证实了测量的可靠性。由于手动触发数据采集，三次重复测试的记录开始时间不同，导致力信号之间存在时间偏移。因此，三次重复的时间轴无法精确对齐。因此，呈现第一次测试进行分析，而报告的定量

Conclusions
本研究提出了一种新颖的方法，利用具有可控流向的移动式高压气射流支撑，以提高薄底板铣削过程中的表面质量和零件精度。该方法在特定条件下通过实验证明了可行性：6061 铝合金、单一刀具几何形状（直径：10 毫米，刃数：4，螺旋角：55°）、固定主轴转速（3000 转/分）和进给率（60 毫米/分）。基于实验

CRediT authorship contribution statement
Ping Jiang: 验证，软件。
Feifei Xu: 方法论，调查。
Ya Han: 验证。
Yaqin Zhou: 撰写 - 原稿。
Xihao Ma: 验证。

费吉雄：撰写–审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念设计
利益冲突
作者声明不存在利益冲突。
数据与材料的可用性
本文的数据和材料可通过合理请求向通讯作者获取。
代码可用性
不适用。
伦理审批
不适用。
参与同意
不适用。
发表同意
所有作者均同意在《Precision Engineering》上出版本手稿。
利益冲突声明
? 作者声明不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究工作由青年自然科学基金项目（编号52205503）提供资金支持。
费吉雄 | 徐菲菲 | 江平 | 周亚琴 | 韩雅 | 马思浩