面向航空发动机叶轮高速铣削三维稳定性分析理论及其应用

本项目主要针对解决航空发动机叶轮无颤振高效切削这一关键共性基础科学问题，基于切削动力学和振动稳定性理论，研究建立体现薄壁复杂曲面结构特征的高速铣削动力学模型。首先，通过切削力试验，快速标定切削力系数，进一步建立精加工点铣切削力模型；其次，通过模态试验，获取工件、刀具模态参数，定量描述稳定性极限与薄壁复杂曲面多模态振型的关系，提出获取不同刀触点处频响函数的方法，建立加工系统动态特性变化对振动响应影响模型；最后，利用频域化特征值求解方法，获得以材料去除量为第三维的薄壁复杂曲面高速加工三维颤振稳态极限图。通过三维颤振稳态极限图，可以快速获取适合不同加工阶段无颤振、优化的工艺参数。本项目针对叶轮叶片行业的共性基础科学问题的研究，将为航空发动机叶轮高效加工提供准确的理论依据，为叶轮叶片类零件加工企业的工艺决策提供可靠的保障，因此，研究内容具有重要的理论意义与工程应用前景。

为解决航空发动机叶轮高速加工稳定性的预测和控制等问题，提出获得复杂曲面高速加工三维颤振稳态极限的方法。本方法基于动力学和振动稳定性理论，建立叶轮高速铣削动态切削厚度与动态切削力模型，通过试验模态方法获取加工系统的传递函数，通过选择颤振频率、求解特征方程、计算临界轴向切削深度、计算主轴转速及扫描所有模态附近的颤振频率来获取二维颤振稳定性极限图。在二维Lobe图的基础上，将材料去除作为第三维，通过有限元仿真构建不同加工阶段、主轴转速、轴向切深的三维颤振稳态极限图（三维Lobe图）。本项目建立的三维颤振稳态极限的方法，可获得叶轮叶片高速铣削加工稳定可靠的切削参数域，从而为无颤振切削参数选择奠定坚实的理论基础。基于本项目研发的“复杂曲面高速加工切削用量专家系统”软件在中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限责任公司等企业的成功应用，说明该软件在航空航天等高端领域可以产生一定的技术辐射效应，并可推广到发电汽轮机等行业。上述研究成果为航空发动机叶轮叶片实际意义的高效加工提供了重要基础和有益借鉴，同时也为叶轮叶片类复杂型面零件加工企业的工艺决策提供了可靠的保障，因此，研究内容具有重要的现实意义与广阔的工程应用前景。