微小薄壁零件微细铣削跨尺度动力学建模及表面形貌形成机理研究

Micro-milling process for micro-thin-walled component is a cross-scale system with weak rigidity, because of properties of the smaller characteristic dimension, complex geometry, weak rigidity, and high machining accuracy and so on. Take micro-milling impeller as an example, the micro-scale distributed cutting force model, cross-scale dynamic model of micro-milling system, and numerical method for surface morphology prediction, are proposed to reveal the scale effects of micro-milling process, micro-milling system structures, and machined surface morphology. The cross-scale mapping relations from edge-workpiece (micro) contact effect to (macro) milling system, and again to (micro) surface morphology are presented, and the scale dependencies are uncovered. Nonlinear chirp space mode decomposition theory is proposed to uncouple the non-stationary surface morphology signals. Then the formation mechanisms of machined surface are investigated, and the influences of process parameters and structural parameters on surface geometry parameters are revealed under macro-micro scale, and the process optimization schemes focused on high material removal rate and high machining accuracy are constructed. The results can be used to guide the micro-milling operations for micro-thin-walled component.

微小薄壁零件由于具有特征尺寸小、几何形状复杂、弱刚度、加工精度要求高等特点，其微细铣削过程属于弱刚性跨尺度工艺系统。以微小叶轮铣削加工为例，针对微细铣削加工过程、微细铣削系统结构、微细铣削加工表面形貌等具有的尺度效应问题，提出刀-工接触微尺度分布切削力模型和微细铣削跨尺度动力学建模及表面形貌预测方法，构建由刃口-工件（微观）接触—刀具-工件（宏观）切削系统—加工表面（微观）几何形貌的跨尺度映射关系，揭示微细铣削系统中的尺度依赖性；提出非线性调频分量空间分解理论，解耦非平稳表面形貌空间信号分量，研究微细铣削加工表面形貌的形成机理和原因，揭示宏-微尺度下工艺参数、结构参数与工件表面几何参数之间的内在影响机制，构建面向高材料去除率和高加工精度的加工工艺优化方案，为微小薄壁零件的高效精密加工提供知识依据和技术基础。

针对目前及未来的国际形势和航空航天的重大需求及现状，结合航空航天装备企业对微小型关键零部件的实际加工情况，以典型难加工高温合金材料 GH4169 作为工件材料，以微小型叶轮的高效精密加工为应用案例，从不同尺度（微观、介观和宏观），围绕刀具-工件微细铣削跨尺度动力学建模、表面几何形貌预测、粗/精加工工艺优化等方面开展研究。取得的具体创新成果如下：（1）建立了刃口-工件接触的微尺度动力学模型，揭示了加工不同特征结构时刃口-工件接触的时-空频变规律；利用等参数坐标变换和微结构力学理论，提出微细铣削弱刚性跨尺度工艺系统的动力学建模方法，突破了微小复杂构件可加工性差的难题。（2）提出时-空全离散稳定性预测方法和Galerkin-Tchebychev谱单元法，解决了模型的求解问题，优化了切削稳定性和加工表面形貌的敏感工艺参数，突破了加工效率低、加工精度差的难题。（3）提出非线性调频分量空间分解理论，阐明了微细铣削表面几何形貌的影响机制，实现了典型弱刚性微小结构零件的高质高效加工。通过多轴微细铣削跨尺度动力学建模及加工表面形貌形成机理的研究，从预测、分析、标定、成因等不同层面全方位提高了对微小叶轮叶片多轴铣削加工表面形貌形成机理的认知水平，突破了典型弱刚性微小结构零件加工效率低，加工精度差的难题，为工程应用提供知识依据和技术基础。上述成果得到了切削加工领域国际国内诸多同行的认可和验证。已发表SCI论文14篇，授权国家发明专利2项，登记软件著作权7项。