航空复杂薄壁件铣削加工界面耦合作用与系统响应机制研究

Complex thin-walled parts such as titanium alloy based aero-engine blades are key components of high-end equipment, and their manufacturing technology matter of national core manufacturing competencies. Aiming at accurate modeling the milling process of complex thin-walled parts, a spatial-time domain discretization method is proposed in this project to convert the strong time-varying, strong nonlinear and spatial non-uniformity problem into a steady, linearity and uniformity problem. Then with online monitoring means, changing process parameters along tool path is obtained, and accurate milling process is modeled. Analytical method will be used to model the kinematics of milling process and explicit dynamic cutting force expression can be obtained. With online monitoring devices, tool-workpiece interaction can be analyzed and a time-delay differential equations can be expressed for the milling process system. On the basis, the milling process system response can be evaluated by combining the analytical and discrete time-domain simulation method. And then machined surface location error is predicted with the theoretical model and online monitoring methods, therefore reveals the relationship between the milling process and machined surface quality. The study of this project will provide basic model for the intelligent machining of complex thin-walled parts, and it will also provide new theories and methods for milling system response prediction, control and improvement of machining quality and efficiency.

航空发动机难加工材料叶片类等复杂曲面薄壁零件关系国家高端核心装备和国家制造业核心竞争力。针对复杂薄壁件铣削加工过程的准确建模问题，拟采用工件与加工过程的时空细分方法将薄壁件加工过程的强时变、强非线性和空间非均匀性问题转化为定常、线性和均匀性问题；借助在线监控手段获取沿加工位置变化的工况参数，准确建立加工过程工艺模型。采用解析方法建立动态铣削过程模型与显式动态切削力模型，结合在线监测手段分析刀具-工件界面耦合作用并系统时滞微分方程。在此基础上，采用局部解析与离散时域仿真方法实现系统响应的快速预测；结合理论分析与在线监控手段，建立表面加工误差预测方法，揭示薄壁件时变加工过程与表面形貌的时空映射关系。本项目的研究将为复杂薄壁件的智能加工提供基础模型支持，并为复杂薄壁件加工过程系统响应预测、控制以及工件加工质量和加工效率的提高提供新的理论和方法。

航空发动机叶片类等复杂曲面薄壁零件是航空发动机中的关键重要零部件，其制造品质对航空发动机的服役性能有重要影响。针对复杂薄壁零件切削加工过程强时变、非线性、加工过程难控制的特点，对薄壁件切削过程中的刀具-工件耦合作用机制、动态响应预测方法及薄壁件切削加工过程优化方法开展了深入研究。提出了一种基于体积元序列的加工过程定义方法，通过体积元序列表示材料切除过程并在体积元中引入动力学属性参数，描述工艺系统在加工过程中的变化。给出了刀具-工件耦合作用过程中考虑刀齿真实运动轨迹的未变形切屑厚度计算方法，建立了基于切削过程参数的斜角切削力模型，实现了基于刀具-工件材料组合的铣削力预测模型，提高了切削力预测模型的通用性；分析了刀具磨损对切削力的影响，建立了刀具-工件耦合作用过程中刃口磨损的预测方法。研究了刀具切出工件过程中刀具与工件之间的动态耦合作用机制，建立了刀具切出工件过程中的动态响应预测模型并进行了实验验证；建立了薄壁件加工过程中材料切除效应下工件动态特性参数的快速预测方法，并采用在线监测手段对薄壁件铣削过程中的动态响应进行了监测与分析。面向复杂薄壁件的铣削加工，建立了加工表面误差预测方法和基于力-位移耦合作用的薄壁件加工过程变切深优化方法，以航空发动机自由曲面叶片为对象进行了实验验证。实验结果表明，应用项目研究成果将验证件的加工效率提高了15%，同等加工条件下的加工精度显著提高，减少了后续加工工序的工作量。项目研究成果中的薄壁件动态特性预测方法、刀具-工件耦合作用机制模型等可为后续薄壁件加工过程的优化与加工振动控制提供理论支撑；建立的变切深优化方法通过工程化开发可直接应用于生产中，以提高复杂薄壁件的加工效率与加工精度。