薄壁叶片多轴加工颤振抑制方法研究
发布时间：2021-11-11 15:30
航空发动机又称之为叶片机,所以叶片的制造品质直接影响着发动机的整体性能和服役寿命。随着航空发动机推重比、涵道比及服役寿命要求的不断提高,叶片结构更趋复杂（如薄壁、弯掠、宽弦）,其材料更难加工、制造精度和表面质量要求更高,这对叶片制造技术提出了更为苛刻的要求。目前,多轴数控加工技术仍然是航空发动机风扇、压气机叶片采用的主要制造方法。然而,在叶片精密数控铣削过程中,由于材料难切削、零件刚性差、切削过程动态特性时变性强等因素使得叶片加工时极易出现颤振现象,从而导致叶片的加工精度低和表面质量差。因此,精确建立薄壁叶片铣削过程动力学模型,从理论上提出有效的颤振抑制策略,是实现此类零件高效高质加工的关键。本文以航空发动机叶片为对象,针对其高品质数控铣削稳定加工所涉及的时变工艺系统动力学建模、时变模态参数预测、刀具位姿及工艺刚度优化等关键技术开展了研究。论文的主要研究内容和取得的主要创新性成果如下:1.建立了薄壁叶片铣削单柔性工艺系统动力学模型:在分析薄壁件铣削工艺模型的基础上,进行了铣削工艺系统类型划分与动力学建模;针对薄壁叶片铣削工艺系统,依据柔性工艺系统动力学模型划分准则,在考虑刀轴矢量对稳定...
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：161 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
航空发动机结构与叶片示意图
图 1-2 薄壁件—叶片稳定铣削中的关键性问题(1)薄壁件铣削工艺系统动力学建模薄壁件铣削过程中，刀具对工件断续的铣削和工件的不均匀会引起动态变化的切削力，这种周期性的切削力又会引起薄壁件的振动，而工件的振动通过改变切削厚度又反馈到切削力上，这种时变动态交互机制很可能造成薄壁件在材料去除时，引起薄壁件工艺系统的失稳。因此，对于薄壁件多轴加工而言，需要综合考虑工件子系统不同位置刚度和刀轴矢量变化特点，建立具有多模态、时变动态特性的铣削加工系统动力学模型，并分析薄壁件铣削加工稳定性及失稳机制。(2)薄壁件铣削动力学参数辨识薄壁件工艺系统铣削加工中，由于薄壁件材料的去除过程会引起其结构参数显著变化。而快速有效的辨识出铣削过程中子系统的结构和模态参数及系统失稳条件是整个工艺系统动力学精确仿真与预测的关键。因此，需在考虑材料去除效应、刀具位置等因素对工件动力学参数的影响下，基于工件初始状态模型和结构动力修正技术，建立一种快速、准确提取切削过程中工件动力学参数，反应系统本质动态特性与稳定性的预测方法。
前期很多学者已经做了大量研究，Taylor 首先对颤振进行了描述，随后 Tobias、Fishwick、Tlusty、Polacek、Merritt、Altintas 和 Budak 等给出了再生颤振的基本概念，他们普遍认为再生颤振是由于切屑厚度、切削力和随后的刀具振动变化引起的一种自激振动的反馈增长机制。他们通过对铣削工艺过程分析，建立了时间周期和时间延迟的线性系统的微分方程，并提出 SLD 稳定域叶瓣图[14-20]。接着 Altintas 等[21]在频域内提出了利用零阶近似来直接预测稳定性的一阶解析方法。Merdol 等[22]在此基础上提出了低浸入多频域的求解方法。Davies 等[23]利用时域求解技术对高间断性加工的稳定性进行了预测。Insperger 等[24]提出了半离散化方法(SDM)，它只对动力学方程中的延迟项进行离散化，并将原来的延迟微分方程(DDE)转化为一系列常微分方程。该方法提高了低浸入稳定性仿真精度，广泛用于各种铣削加工的稳定性预测。Ding 等[25]基于直接积分的方法提出了全离散化(FDM)方法和数值积分法(NIM)。从文献可以看出，前期研究主要集中在刀具、工件组成工艺系统的动力学模型建立准确性与延迟微分方程求解方面。对薄壁件而言切削过程中由于刀具和工件相对位置及过程模态时变性、迟滞性并未做考虑。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于过程模态的薄壁件铣削稳定性实验研究[J]. 田卫军,任军学,李郁,王大振,张宝刚. 机电工程. 2018(07)
[2]宽频带多重动力吸振器薄壁件铣削振动控制[J]. 王民,刘宇男,昝涛,高相胜,张彦琳. 振动与冲击. 2018(10)
[3]基于PVDF薄膜传感器的薄壁件铣削振动在线监测与分析[J]. 刘冬生,张定华,罗明,罗欢. 机械工程学报. 2018(17)
[4]航空薄壁件铣削加工动力学仿真技术[J]. 杨昀,张卫红,党建卫,郑小伟,万敏. 航空制造技术. 2018(07)
[5]薄壁机匣铣削加工颤振抑制研究[J]. 马鹏举,徐汶,高延,李文,郑学著,叶成思. 航空制造技术. 2018(11)
[6]变螺旋铣刀切削力建模及影响因素分析[J]. 靳刚,李华,韩建鑫,李栋,戚厚军. 机械强度. 2017(04)
[7]基于混合算法的薄壁件铣削加工工艺参数优化[J]. 曾莎莎,彭卫平,雷金. 中国机械工程. 2017(07)
[8]基于非均匀余量的整体叶轮加工工艺优化策略[J]. 吴雁,吕博鑫,吕仕强,郑刚,张杰人. 航空制造技术. 2017(05)
[9]航空发动机叶片关键制造技术研究进展[J]. 刘维伟. 航空制造技术. 2016(21)
[10]航空薄壁件加工技巧[J]. 郭萍. 山东工业技术. 2016(20)
博士论文
[1]整体叶盘通道多轴加工刀具尺寸及空间位姿优化方法[D]. 梁永收.西北工业大学 2016
[2]薄壁曲面零件数字化制造优化技术研究[D]. 赵东宏.江苏大学 2016
[3]变齿距/变螺旋铣刀切削稳定性理论与实验研究[D]. 靳刚.天津大学 2013
[4]铝合金整体叶轮数控铣削加工增效关键技术研究[D]. 布光斌.南京航空航天大学 2010
[5]高速铣削过程动力学建模及其物理仿真研究[D]. 刘志新.天津大学 2006
硕士论文
[1]运动学特性约束下曲面高速进给数控加工轨迹规划[D]. 张风磊.北京交通大学 2017
[2]钛合金薄壁件腹板加工工艺参数优化[D]. 刘杨.西南交通大学 2016
[3]薄壁框类零件高速铣削稳定域分析及铣削工艺参数优化[D]. 张珠峰.燕山大学 2016
[4]铣削过程力学建模与刀具结构优化技术方法研究[D]. 王雷.天津大学 2016
[5]动力学特性约束下叶轮数控加工刀位轨迹规划[D]. 杨智敏.北京交通大学 2014
[6]基于几何特征的加工余量优化及仿真研究[D]. 李相标.西南交通大学 2013
[7]多轴联动数控加工球头铣刀铣削力建模与仿真[D]. 丁云鹏.哈尔滨理工大学 2013
本文编号：3489104
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：161 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
航空发动机结构与叶片示意图
图 1-2 薄壁件—叶片稳定铣削中的关键性问题(1)薄壁件铣削工艺系统动力学建模薄壁件铣削过程中，刀具对工件断续的铣削和工件的不均匀会引起动态变化的切削力，这种周期性的切削力又会引起薄壁件的振动，而工件的振动通过改变切削厚度又反馈到切削力上，这种时变动态交互机制很可能造成薄壁件在材料去除时，引起薄壁件工艺系统的失稳。因此，对于薄壁件多轴加工而言，需要综合考虑工件子系统不同位置刚度和刀轴矢量变化特点，建立具有多模态、时变动态特性的铣削加工系统动力学模型，并分析薄壁件铣削加工稳定性及失稳机制。(2)薄壁件铣削动力学参数辨识薄壁件工艺系统铣削加工中，由于薄壁件材料的去除过程会引起其结构参数显著变化。而快速有效的辨识出铣削过程中子系统的结构和模态参数及系统失稳条件是整个工艺系统动力学精确仿真与预测的关键。因此，需在考虑材料去除效应、刀具位置等因素对工件动力学参数的影响下，基于工件初始状态模型和结构动力修正技术，建立一种快速、准确提取切削过程中工件动力学参数，反应系统本质动态特性与稳定性的预测方法。
前期很多学者已经做了大量研究，Taylor 首先对颤振进行了描述，随后 Tobias、Fishwick、Tlusty、Polacek、Merritt、Altintas 和 Budak 等给出了再生颤振的基本概念，他们普遍认为再生颤振是由于切屑厚度、切削力和随后的刀具振动变化引起的一种自激振动的反馈增长机制。他们通过对铣削工艺过程分析，建立了时间周期和时间延迟的线性系统的微分方程，并提出 SLD 稳定域叶瓣图[14-20]。接着 Altintas 等[21]在频域内提出了利用零阶近似来直接预测稳定性的一阶解析方法。Merdol 等[22]在此基础上提出了低浸入多频域的求解方法。Davies 等[23]利用时域求解技术对高间断性加工的稳定性进行了预测。Insperger 等[24]提出了半离散化方法(SDM)，它只对动力学方程中的延迟项进行离散化，并将原来的延迟微分方程(DDE)转化为一系列常微分方程。该方法提高了低浸入稳定性仿真精度，广泛用于各种铣削加工的稳定性预测。Ding 等[25]基于直接积分的方法提出了全离散化(FDM)方法和数值积分法(NIM)。从文献可以看出，前期研究主要集中在刀具、工件组成工艺系统的动力学模型建立准确性与延迟微分方程求解方面。对薄壁件而言切削过程中由于刀具和工件相对位置及过程模态时变性、迟滞性并未做考虑。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于过程模态的薄壁件铣削稳定性实验研究[J]. 田卫军,任军学,李郁,王大振,张宝刚. 机电工程. 2018(07)
[2]宽频带多重动力吸振器薄壁件铣削振动控制[J]. 王民,刘宇男,昝涛,高相胜,张彦琳. 振动与冲击. 2018(10)
[3]基于PVDF薄膜传感器的薄壁件铣削振动在线监测与分析[J]. 刘冬生,张定华,罗明,罗欢. 机械工程学报. 2018(17)
[4]航空薄壁件铣削加工动力学仿真技术[J]. 杨昀,张卫红,党建卫,郑小伟,万敏. 航空制造技术. 2018(07)
[5]薄壁机匣铣削加工颤振抑制研究[J]. 马鹏举,徐汶,高延,李文,郑学著,叶成思. 航空制造技术. 2018(11)
[6]变螺旋铣刀切削力建模及影响因素分析[J]. 靳刚,李华,韩建鑫,李栋,戚厚军. 机械强度. 2017(04)
[7]基于混合算法的薄壁件铣削加工工艺参数优化[J]. 曾莎莎,彭卫平,雷金. 中国机械工程. 2017(07)
[8]基于非均匀余量的整体叶轮加工工艺优化策略[J]. 吴雁,吕博鑫,吕仕强,郑刚,张杰人. 航空制造技术. 2017(05)
[9]航空发动机叶片关键制造技术研究进展[J]. 刘维伟. 航空制造技术. 2016(21)
[10]航空薄壁件加工技巧[J]. 郭萍. 山东工业技术. 2016(20)
博士论文
[1]整体叶盘通道多轴加工刀具尺寸及空间位姿优化方法[D]. 梁永收.西北工业大学 2016
[2]薄壁曲面零件数字化制造优化技术研究[D]. 赵东宏.江苏大学 2016
[3]变齿距/变螺旋铣刀切削稳定性理论与实验研究[D]. 靳刚.天津大学 2013
[4]铝合金整体叶轮数控铣削加工增效关键技术研究[D]. 布光斌.南京航空航天大学 2010
[5]高速铣削过程动力学建模及其物理仿真研究[D]. 刘志新.天津大学 2006
硕士论文
[1]运动学特性约束下曲面高速进给数控加工轨迹规划[D]. 张风磊.北京交通大学 2017
[2]钛合金薄壁件腹板加工工艺参数优化[D]. 刘杨.西南交通大学 2016
[3]薄壁框类零件高速铣削稳定域分析及铣削工艺参数优化[D]. 张珠峰.燕山大学 2016
[4]铣削过程力学建模与刀具结构优化技术方法研究[D]. 王雷.天津大学 2016
[5]动力学特性约束下叶轮数控加工刀位轨迹规划[D]. 杨智敏.北京交通大学 2014
[6]基于几何特征的加工余量优化及仿真研究[D]. 李相标.西南交通大学 2013
[7]多轴联动数控加工球头铣刀铣削力建模与仿真[D]. 丁云鹏.哈尔滨理工大学 2013
本文编号：3489104
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