复杂薄壁曲面零件铣削过程振动主动控制的理论与方法研究

For common problems about hard quality control of complex thin-walled parts in the aerospace, automotive, energy and other key industries, considering the characteristics of thin-walled geometry, tool tip trajectory points and other information on its typical processing features, one vibration prediction model of cutter tip in the process of complex thin-walled milling is built whereas one processing line monitoring technology is put forward, combined with the results of vibration test. After that, one surface topography formation model about complex thin-walled milled is proposed by utilizing cutting point line vibration monitoring of vibration displacement signal obtained, and related simulation algorithm is developed, aiming at refining thin mapping between the workpiece surface topography after vibration milling and those factors, such as cutting parameters, elastic deformation, tool path and so on. Based on the idea that flexible platform support can be controlled actively to counteract the relative movement between cutting point and the tip of the target tool, after controlled object modeling and optimization of damping control algorithm, the works about software and hardware design and development are launch to obtain a three-way active vibration control platform for complex thin-walled platform, to achieve effective thin-walled parts machining vibration suppression, and improve quality of the workpiece. The research of this project can provide an important theoretical and technical support for improving the manufacturing level of complex thin-walled parts.

面向航空航天、汽车、能源等国家重点行业中复杂薄壁件加工质量控制难的共性问题，针对其典型工艺特点，考虑薄壁几何特性、刀具尖端轨迹等信息，构建复杂薄壁件铣削过程工件切削点振动预测模型，结合试验数据开发复杂薄壁件加工过程的振动在线监测技术；利用在线振动监测技术所得的振动位移信号，建立复杂薄壁件铣削表面形貌形成模型，开发相关仿真算法，提炼薄壁件铣削表面形貌与工件振动、切削参数、弹性变形、刀具轨迹等因素之间的映射关系；基于柔性支撑主动控制思想，以主动平台上的运动抵消切削点与刀尖的相对振动为目标，在被控制对象建模与减振算法控制寻优的基础上，开展面向复杂薄壁件的三向主动振动控制平台的软件和硬件设计与开发，实现薄壁件切削加工振动有效抑制，提高工件的表面加工质量。该项目研究将为提高我国复杂薄壁件加工水平提供重要的理论与技术支撑。

薄壁零件因其特有的高强度、重量轻、高承载性等特点，广泛应用于航空航天、汽车、国防等国家重要工业领域。但是在其加工制造过程中，极易产生加工变形和切削颤振，严重恶化零件的尺寸精度和表面品质。本文以切削过程振动控制为切入点，着力开展复杂薄壁件铣削振动控制的共性技术研究。首先，考虑薄壁件切削过程柔性特性，以模态实验分析为主要手段，建立了刀具和柔性工件振动位移与接触耦合分析模型，开展了刀具和工件耦合机理研究，分析了该耦合模型的切削过程动态特性。其次，考虑上述耦合模型，以切削过程振动主动控制策略与被控控制策略的协同为核心思想，开展薄壁零件切削过程振动主动控制新方法研究，开发了相关数值算法程序，研究了切削过程参数、刀具几何参数、协同策略参数对切削过程动态特性的影响。研究表明，切削振动协同效应是存在的，其协同机制主要体现在显著提高切削过程的轴向切削深度，研究可为切削过程的材料最大去除率的实现提供借鉴。再此，以发动机叶片轮廓周铣削为研究对象，考虑铣削变形对切削过程切削力的影响，开展了柔性工件的铣削振动与变形的预测研究，建立了低刚度加工工艺系统的工艺几何模型，研究了瞬时铣削厚度和瞬时切削啮合角的变化，分析铣削力系数识别方法，建立了弹性铣削力模型并开展了模型试验验证。最后，基于柔性支撑主动控制思想，以主动平台上的运动抵消切削点与刀尖的相对振动为目标，开发切削过程瞬时预测切削力模型，通过预测力与测量切削力寻找工件振动位移，开发了面向薄壁零件的切削振动主动控制平台，实现了零件切削过程了静态和动态变形的在线补偿，从而等效抑制了零件加，提高了工件的表面加工质量。以上研究对提出并掌握适用于薄壁件的铣削变形和振动控制的先进方法和技术，提高我国薄壁件制造水平，促进我国高铣削加工产业的发展具有重要的理论价值与现实意义。