变厚度薄壁自由曲面零件五轴铣削振动控制研究

Complex curved thin-walled components are widely applied in aerospace, ship and energy fields. Because of the property of weak stiffness, cutting vibration is easy to occur in milling process, which results in lower machining efficiency, lower machining accuracy, lower machined surface quality, and larger machining distortion. Take five axis milling of impeller and blade of jet engine as an example, the multi-axis milling dynamics for complex curved thin-walled component with variable thickness is focused on. The engagement region between tool and workpiece is investigated in multi-axis milling of thin-walled component. Structural dynamic modification method with variable mass is proposed to identify the dynamic characteristics with time change, which includes the influences of removing materials and mode coupling between tool and workpiece on dynamic characteristics. A full discretization method with space and time is presented to predict the milling stability and instability mechanism under different process parameters. Based on the conception of full passive control and partial active control, a compound control method is proposed to eliminate the cutting vibration of weak stiffness system, and to increase material remove rate and machining accuracy. The results can be used to guide the multi-axis milling operations for complex curved thin-walled component with variable thickness.

变厚度薄壁自由曲面零件广泛应用于航空航天、船舶、能源等领域，由于其弱刚性特点，铣削过程极易发生振动使其加工效率低、型面精度低、表面质量差、加工变形严重。以发动机整体叶轮、叶片五轴铣削为例，针对变厚度薄壁自由曲面零件多轴铣削动力学问题，探索薄壁零件五轴铣削过程中刀具-工件的接触规律，提出考虑材料切除过程和刀具-工件系统模态耦合影响的识别时变系统动态特性的变质量结构动力学修改方法，建立基于时变模型的五轴铣削系统动力学模型；提出薄壁件五轴铣削时空全离散稳定性预测方法，阐明其失稳机制，揭示工艺参数对铣削系统失稳的影响规律；提出“整体被动控制”和“局部主动控制”相结合的振动组合控制方法，抑制此类弱刚性工艺系统的切削振动，提高切削效率和加工精度，为实现变厚度薄壁自由曲面零件的高效、高精度多轴加工提供技术指导。

叶轮、叶片类复杂曲面薄壁构件在运载、能源和国防等行业有着广泛应用，主要制造方法是多轴数控加工。曲面薄壁构件性能和产量的不断提升，对加工精度和加工效率提出了越来越高的要求。因此，如何实现复杂曲面薄壁件高效高精加工是制造学科的重要研究主题。复杂薄壁件加工存在的技术瓶颈是加工效率低、加工质量差，核心问题是精确模型缺乏、加工工艺规范不完善。导致上述问题的原因包括：1）工件刚度差、材料难加工、工件结构复杂切削可达性差；2）通常需要多种类型的刀具和细长刀杆，同时需要多加工工序和保守的切削加工参数。工艺参数选取不当容易造成颤振或过大的强迫振动，产生振纹缺陷；因此该领域的研究重点是“薄壁件铣削动力学及加工工艺调控”，研究目标是获得高质量、高效率的加工工艺。该研究领域主要存在三个科学问题：1）薄壁件铣削系统动态特性的识别；2）薄壁件铣削加工工艺调控；3）薄壁件铣削振动响应预测。针对上述问题，开展了系统的研究，取得了如下创新成果：1）建立了薄壁件铣削系统时空频变特性识别理论，揭示了薄壁件铣削动态特性的时空频变特性，探明了其频变规律，促进了弱刚性工艺系统时空频变动态特性识别技术的跃升；2）建立了切削稳定性预测及工艺优化理论，解决了加工效率低、型面精度低、表面质量差等一系列关键技术难题，推动了弱刚性工艺系统高效高精度加工技术的发展；3）提出的移动载荷作用振动响应预测新方法，解决了薄壁件受移动切削力作用时振动响应预测难题。研究成果应用于航空发动机叶轮叶片等薄壁件的高性能加工中，解决了加工效率低、型面精度低、表面质量差、加工变形严重等一系列关键技术难题，实现了叶片薄壁零件的高效精密加工，为复杂曲面薄壁零件的多轴加工工艺优化提供了科学依据和技术支撑。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17篇，授权发明专利5项（其中PCT国际专利1项），软件著作权1项。