大型航空薄壁结构件铣削过程动刚度演变机制及多耦合动力学机理研究

Milling process of large aeronautic structural workpieces is the main method to manufacture these workpieces currently. It has long been a challenge to avoid the machining inaccuracy and workpiece damage caused by milling chatter. Based on the applicant’s previous studies, this project aims at studying varying dynamic stiffness of the large thin-walled workpiece-fixture system, dynamics variation of the tool-holder-spindle system and the multi-coupling dynamics of milling processes of large thin-walled workpieces. Efficient stability criteria will be developed for the dynamic model of the milling processes. These studies will be the basic theories for optimizing process parameters of efficient and high-quality milling of large aeronautic structural workpieces. The major points of this research are listed as follows:.(1) Varying dynamic stiffness of the large thin-walled workpiece-fixture system due to material removal effect and clamping effect of vacuum chuck will be studied based on modal synthesis methods..(2) Position-dependent dynamic model of the tool-holder-spindle system will be investigated by using the modelling based on finite element method, modal testing and correction based on intelligent algorithm..(3) High dimensional dynamic model of milling processes of large thin-walled workpieces considering tool-workpiece multiple mode coupling effect, multiple point vibration coupling effect along tool axis and process geometry-response coupling effect will be developed..(4) Efficient stability criteria of the high dimensional dynamic model will be established based on model waveform relaxation methods or order reduction methods.

大型航空薄壁结构件铣削加工是目前实现此类工件制造的主要手段。如何针对工件的大尺寸与薄壁弱刚度特点，有效避免切削颤振失稳导致的加工精度低与产品报废是长期以来面临的挑战问题。本项目在申请人前期研究的基础上，通过研究大尺寸薄壁件-夹具系统动刚度演变机制、大型机床刀轴系统动刚度变化规律、大尺寸薄壁件铣削过程多耦合动力学机理，发展该铣削系统颤振稳定性高效判定方法，最终为大型航空薄壁结构件高效高质量铣削工艺参数的优化奠定理论基础。主要创新点为：基于模态综合法，研究考虑材料去除及真空吸盘装夹影响的大尺寸薄壁件-夹具系统动刚度演变机制。综合有限元建模、模态实验测试及智能算法修正等手段，探索位置相关的刀轴系统动刚度演变规律。建立综合考虑刀具-工件多模态耦合、多点振动耦合、切削几何参数-切削响应耦合效应的铣削过程高维动力学模型。提出基于波形松弛理论和模型降阶理论的高维动力学系统铣削颤振稳定性的高效判定方法。

航空高端装备广泛采用大型薄壁结构件。铣削工艺作为目前加工该类结构件的主要手段，其高效、精密程度是确保该类结构件精确制造和装备综合性能的关键。大量实践表明，由于该类结构件具有大尺寸与薄壁弱刚度特点，极易发生颤振失稳，导致零件加工精度降低甚至报废。而传统铣削颤振稳定性理论主要以工艺系统动刚度恒定为假设，无法准确高效表征大型航空薄壁结构件的切削动力学机理，在实际应用中有较大的局限性。.为了有效解决大型航空结构件切削颤振失稳导致的加工精度低与产品报废的难题，本项目针对该类结构件的大尺寸与薄壁弱刚度特点，研究了大尺寸薄壁件铣削系统动刚度演变机制和铣削过程多耦合动力学机理，发展了面向大尺寸薄壁件铣削颤振抑制的系统参数调控和工艺参数优化方法。主要创新点为：.(1)本项目研究了材料去除对大尺寸薄壁件动刚度的影响，发展了一种切削过程中大尺寸薄壁件时变动刚度高效预测的分解缩减方法，实现了大尺寸薄壁件动刚度的快速精准建模，准确揭示了大尺寸薄壁件动刚度随材料去除的变化规律。(2)本项目提出了主轴-刀柄子结构动刚度的通用快速计算方法，也适用于不同类型的机床、刀柄、刀具，实现了大型机床刀轴系统动刚度的快速精准获取。(3)本项目建立了考虑过程阻尼效应的变动刚度铣削系统多耦合动力学模型，揭示了犁切效应和切削速度方向变化效应对大型薄壁件切削过程阻尼的不同影响，实现了大型薄壁件不同动刚度处的铣削稳定性边界准确预测。(4)本项目发展了面向大型薄壁件颤振抑制的系统参数调控和工艺参数优化方法，扩大了大型薄壁件的铣削稳定域，提高了加工质量和加工效率，应用于大型运输机关键结构件铣削加工。.依托本项目共发表论文8篇（SCI论文7篇），授权发明专利9项；培养硕士3名，博士2名，项目成果获国家技术发明二等奖（初评通过）、陕西省科学技术一等奖和陕西省自然科学优秀学术论文二等奖。上述研究为大型航空薄壁结构件高效高质量铣削工艺参数的优化奠定理论基础。