航空薄壁环形件多轴加工的时变动力学模型及其稳定性分析

The thin-walled ring part with difficult-to-cut material is one of the most important parts in aero engine. Due to the strong time-varying dynamic factors, it is easy to induce some machining problems in the milling process of thin-walled ring parts, such as large machining deformation, drastic cutting chatter, and poor surface quality. These problems severely restrict the manufacturing level and the service ability of aero engine in our country. Aiming at all the above problems, a dynamic differential equation with variable parameters will be developed to describe time-varying characteristics of the multi-axis machining process, and reveal the influence mechanism of material removal, tool posture, and process parameters change on the process system dynamic characteristics. A new processing technology called "detection machining" will be presented to obtain modal parameters by the online active excitation under real machining conditions. Based on analyzing the time-varying dynamic system behaviors excited by varying cutting forces, a whole process prediction method of system responses will be proposed by using the spatio-temporal mapping mechanism, which is driven by machining process. Then, a time-varying dynamic system stability prediction method for thin-walled ring parts will be presented by using Lyaponov stability theory, it will show the migration laws of process system stable domains with machining conditions varying. The research achievements will enrich the multi-axis NC machining theory about thin-walled ring parts, and improve the key machining capabilities of aero engine manufacturing.

难加工材料薄壁环形零件是航空发动机中的一类关键、重要零件，其加工过程中出现的强时变动力学问题导致这类零件加工变形大、易发生颤振以及表面质量差等问题，严重制约了我国航空发动机的制造水平和服役能力。针对上述问题，本项目拟建立描述薄壁环形件多轴铣削加工时变特性的变参数动力学系统微分方程，揭示材料去除、运动位姿及工艺参数变化对工艺系统动态特性的影响机理；提出侦-测-加工新工艺，建立基于实际加工过程在线主动激励的模态参数辨识方法；研究交变切削力激励下的时变动力学系统行为，利用时空映射机制建立加工过程驱动的全过程、全空间的工艺系统响应预测方法。在此基础上，利用Lyaponov稳定性理论研究薄壁环形件时变动力学系统的稳定性判定方法，阐明时变系统稳定域随工况条件变化的迁移规律。项目的研究成果必将丰富和完善薄壁环形件多轴数控加工理论，提高我国以航空发动机为代表的高端装备制造业的核心制造能力。

难加工材料薄壁环形零件是航空发动机中一类关键、重要零件，其加工过程中出现的强时变动力学问题导致这类零件加工变形大、易发生颤振以及表面质量差等问题，严重制约了我国航空发动机的制造水平和服役能力。针对这些问题，本项目将由机匣、刀具、机床和夹具构成的工艺系统划分为刀具子系统和工件子系统，分别建立了反应这两个子系统时变特性的动力学模型，并根据两个子系统之间的力/位移作用关系进行耦合，构建了薄壁环形件多轴铣削加工工艺系统的动力学模型，获得了在单个切削行内和不同切削行间工件材料去除、几何结构演化等对工件子系统动力学特性的影响规律。提出了侦-测加工新工艺，通过对实际加工过程进行主动激励，同时监测加工过程中的可观测量，获取激励前后的系统响应，进而获得工艺系统当前的时变工况与模态参数。针对薄壁环形零件铣削过程中的动态响应预测问题，分析了铣削加工过程中交变激振力的产生原因，并根据其两种不同的作用机理进行表征与分解；研究了工件表面不同切削位置的动态特性，建立了薄壁环形零件铣削过程中铣削位置与工件表面及过程信息的映射机制，实现了铣削加工中工况-响应的时空映射。最后，建立了描述工艺系统动力学演化的牛鼻刀端铣加工机匣三维颤振稳定性模型，并将该模型扩展至多轴加工应用中，分析了难加工材料薄壁环形件时变系统在加工过程中随刀具姿态、结构演化和装夹变化等的稳定域及动态特性的演化规律，为工艺过程调控奠定了理论基础和技术支撑。工程应用表明，利用本项目的研究成果，某型号机匣加工刀具使用量下降为原来的33%，加工效率提高15%以上，且加工过程无振动产生，加工表面光滑、无振纹产生。