面向航空叶片类零件高效铣削的VCPM动力学建模研究

Nowadays, the corresponding theory and technology of high performance milling of aero engine blade oriented dynamic modeling of variant cutting process milling are the common research focuses and the significant developing directions of the disiplines of cutting technology and mechanical dynamics, and one of the supporting technologies for high performance machining of new aircraft engine parts in the future. Taking the dynamic modeling of variant cutting process milling as the backbone, an in-depth investigation will be launched theoretically and experimentally. Based on the study of cutting mechanism and the modeling of process damping of typical difficult-to-cut aviation materials, a dynamic model of variant cutting process milling is constructed, in which the non-liniear process damping and the torsional vibration are taken into consideration. The analytical and numerical approaches for solving the dynamic model represented by time-varying, non-linear,time-delay and high order differential equations are investigated. As a result, the dynamic behaviors and phenmonena such as chatter, bifurcation, chaos occurred in vairant cutting process milling are analyzed and their natures are revealed. The meachanism and evolution of dynamic characteristics of the machining system during the multi-axis milling process of aero engine blade are investigated and explored. With the project, some innovative results are expected to be achieved in theory of dynamic modeling for variant cutting process milling. As a result, the manufacturing bottleneck of aircraft engine parts can be broken through.

面向航空叶片类零件高效铣削的变切削过程铣削动力学建模相关理论与技术是现今切削工艺学与机械动力学两学科的共同研究热点和重要发展方向，也是实现未来新型航空发动机零部件高效制造的理论基石。本课题拟围绕航空叶片类零件的高效铣削，开展变切削过程铣削动力学建模理论与试验研究：以典型航空难加工材料切削机理、铣削过程阻尼产生机理及理论建模为基础，构建考虑非线性过程阻尼与扭转振动的变切削过程铣削动力学模型；重点研究由时变、非线性、时延、高阶微方程组表示的动力学模型的解析与数值求解，综合运用解析、数值、试验和信号处理等方法分析变切削过程铣削所蕴含的诸如颤振、分叉、混沌等动力学行为与现象并揭示其本质；研究并探索航空叶片类零件多轴铣削过程中工艺系统动力学特性参数的表征与演变规律；本项目期望在变切削过程铣削动力学建模相关理论方面取得创新性成果，为突破航空发动机零部件的制造瓶颈提供理论指导。

作为“制造业皇冠上的明珠”，航空发动机一直是制约我国航空工业发展的一块短板，以整体叶盘为代表的发动机关键零部件综合制造技术属国际前沿科技。鉴于此类零件通常由难加工材料制成，结构复杂、刚性弱，如何选择合适切削参数实现高效、无颤振切削已成为亟待解决的问题。.围绕难加工材料切削机理、过程阻尼产生机理、变切削条件铣削动力学建模、稳定性预测等方面进行理论与试验研究，主要研究内容为：. 1）考虑过程阻尼的铣削稳定性建模。建立考虑过程阻尼的铣削稳定性模型并求解，弥补经典稳定性模型不能准确预测低速稳定性的缺陷，为高效铣削切削参数优化奠定基础。. 2）圆角铣削动力学建模。基于圆角铣削几何模型，建立圆角铣削动力学模型，实现圆角铣削切削稳定性的精确预测，拓展经典直线铣削稳定性分析方法的应用范围。. 3）螺旋铣孔建模。在螺旋铣孔运动学与静力学建模基础上，建立其动力学模型并分析其稳定性，不仅实现了螺旋铣孔表面形貌的准确预测，还率先提出了一种由轴向/径向进给和主轴转速表示稳定性叶瓣图。. 4）稳定性叶瓣图快速构建。在经典稳定性求解方法基础上，提出了一种直接采用频响函数快速构建稳定性叶瓣图的方法，以指导车间机床加工性能评估和切削参数选择。. 5）铣削稳定性模型求解。提出了基于三阶、四阶龙格库塔法和改进欧拉法等用于精确预测铣削稳定性的半解析方法，结合二分法确定临界稳定切深，使稳定性求解速度提高一个量级，使半解析法的工程应用成为可能。. 6）大轴向切深铣削稳定性预测。在经典铣削稳定性模型基础上，提出了一种基于试验模态分析与响应耦合相结合预测稳定性叶瓣图的方法。. 7）考虑扭转振动的铣削稳定性建模。建立了考虑扭转振动的铣削动力学模型，采用半离散方法，获得了考虑扭转振动的铣削稳定性叶瓣图。. 8）螺旋铣孔切削参数优化。将其分解成单孔参数优化和孔群加工路径优化两个子问题。前者用单目标优化问题求解方法求解；后者用旅行商问题求解方法求解。