CN102554326A - 一种基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法，通过标准模态试验获得所述叶轮叶片的动态模态，然后引入颤振模型，得到稳定性判据，获取合理的加工参数；其包括如下步骤：1、模态试验测定叶轮叶片的动态模态，2、建立叶轮叶片铣削稳定性模型，3、叶轮叶片动态刚度稳定性研究，4、获得叶轮叶片动态刚度下的切削稳定性条件，5、验证切削稳定性条件并采用最终优化后的切削参数进行加工。所述方法解决了叶片类薄壁件铣削精加工的切削振颤问题，通过优化切削参数，显著地提高了加工稳定性，适用于各类薄壁零件的精加工。

Description

一种基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法

技术领域

本发明涉及一种用于叶轮叶片的加工方法，具体涉及一种考虑动态刚度的薄壁件铣削精加工方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

叶轮叶片是一种具有非常典型代表性的薄壁零件，广泛应用于航空航天、冶金、军工、石化、电力等多个领域，是风机、发动机、压缩机、水泵等机械的核心部件。叶片加工质量的好坏和加工精度是否满足要求直接决定着整台设备性能的优劣。在叶轮叶片的制造中，由于叶片薄、叶展长等特点，通常使用大长径比的刀具，然而这会造成切削加工过程中工艺系统的弱刚性与输入的强激励之间的矛盾，导致发生振动和切削不稳定。因此研究叶片加工工艺系统的切削动力学模型、动态响应特性和稳定性条件就十分必要。切削振动可以分为受迫振动和自激振动(即颤振)，受迫振动一般源于工艺系统内外的干扰源，比较容易进行控制，而切削颤振则是金属切削加工过程中刀具和工件之间产生的一种比较强烈的自激振动现象，它是源于切削工艺系统(机床-刀具-工件)的固有共振特性。在动态切削力的激励下，切削颤振的产生和发展规律十分复杂，不容易进行控制。切削过程中一旦发生颤振现象将直接导致工件表面粗糙度恶化、加工精度降低、刀具磨损极速加快、环境噪音污染，严重时还可能出现刀具的非正常破损、断刀、机床主轴部件损坏、工件报废甚至发生重大安全事故。大量实践经验证明，切削颤振已经成为薄壁零件高速、高效加工的主要障碍之一，提高切削稳定性已经成为提高生产效率和改善加工质量的关键所在。

关于叶片精加工方法的国内外专利，主要集中在三维建模、数控编程、刀具设计和刀具路径规划以及特种加工等方面。申请专利号为200810038261.7的发明专利公开了一种整体叶轮加工方法，通过五轴数控机床对整体叶轮进行加工，其特点在于能够保证叶片表面的加工轨迹满足几何准确性的要求，并且保证加工的质量，加工效率高，质量稳定；申请专利号为201010611522.7的发明专利公开了一种整体叶轮叶片部分五轴联动变轴插铣数控加工的方法，该方法的特点是采用五轴联动变轴插铣方式解决了自由曲面固定轴插铣后需用球头铣刀进行光整处理的难题；申请专利号为201010608270.2的发明专利公开了一种叶盘类零件薄壁叶片车削加工的方法，该方法在两叶片之间填充聚胺脂发泡剂，相当于给了叶片一个支撑，有效地提高了各叶片车削时的刚度，同时也改善了车削的不连续性，减轻了加工时的振颤及变形，从而使半开式叶轮，特别是宽深流道三元叶轮叶片外缘型面的加工精度得以提高。申请号为200510107555.7、200910248694.X、200610122014.6等的发明专利也都涉及到了叶片的精加工方法。上述专利存在的一个共同点是都没有涉及叶片加工过程中对于切削振颤进行抑制的重要性，并从叶片动态刚度和切削参数优化方向着手解决问题，只是强调了数控以及刀具的影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法，从考虑薄壁类零件动态刚度下的稳定性条件出发，优化切削参数，对叶轮叶片的加工振颤进行主动抑制。

本发明是通过以下技术方案来解决其技术问题的：

一种基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法，其特征在于：通过标准模态试验获得所述叶轮叶片的动态模态，然后引入颤振模型，得到稳定性判据，获取合理的加工参数。

本发明所述的基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法，其包括如下步骤：

步骤1：模态试验测定叶轮叶片的动态模态：采用标准力锤冲击试验，通过采集力锤的冲击激励信号以及加速度传感器的响应信号，针对叶轮叶片加工中不同阶段的壁厚，应用计算机拟合出该叶轮叶片不同厚度条件下的模态参数；

步骤2：建立叶轮叶片铣削稳定性模型：根据经典再生振颤模型，设定机床-刀具系统为刚性，得到临界轴向切削深度及其对应的主轴转速；

步骤3：叶轮叶片动态刚度稳定性研究：根据步骤1与步骤2所得的叶轮叶片铣削稳定性建模和叶轮叶片模态参数，完成叶轮叶片稳定性Lobe曲线图的计算和绘制；

步骤4：获得叶轮叶片动态刚度下的切削稳定性条件：结合叶轮叶片的高度即铣削轴向深度，分析不同厚度下叶轮叶片的稳定性Lobe曲线图，继而根据叶轮叶片动态刚度下的极限稳定性Lobe曲线图，优化切削参数，使得优化后的主轴转速落在稳定范围内；

步骤5：验证切削稳定性条件并采用最终优化后的切削参数进行加工：采用步骤4优化的切削参数获得切削振动信号，结合机床以及高切速带来的高温限制，对切削参数进一步优化，并且采用最终优化后的切削参数对所述叶轮叶片进行加工。

所述步骤1中，模态试验是叶轮叶片毛坯在加工中心上完成粗加工与半精加工的在线过程中完成的。

本发明的有益效果是：所述方法通过优化切削参数，解决了叶片类薄壁零件铣削精加工的切削振颤问题，显著地提高了加工稳定性，对类似薄壁件的精加工具有十分有意义的参考价值。

附图说明

图1是本发明的模态试验原理图。

图2是本发明的再生颤振动力学模型图。

具体实施方式

本发明所述的基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法的内容是，通过标准模态试验获得所述叶轮叶片的动态模态(阻尼比、刚度、固有频率、有效质量)，然后引入颤振模型，得到稳定性判据，从而获取合理的加工参数。

下面结合附图对本发明做进一步的说明，阐述各个步骤的详细情况。

本发明所述的加工方法包括如下步骤：

步骤1：模态试验测定叶轮叶片的动态模态：原理如图1所示，采用标准力锤冲击试验，通过采集力锤的冲击激励信号以及加速度传感器的响应信号，针对叶轮叶片加工中不断变化的不同阶段的壁厚t₁、t₂和t₃，应用计算机拟合出该叶轮叶片不同厚度条件下的模态参数，识别出各阶固有频率、刚度和阻尼比等。其中，薄壁件标准模态试验是叶片毛坯在加工中心上完成粗加工与半精加工的在线过程中完成的，这样的试验安排全盘考虑了“机床-夹具-工件”构成的工艺系统中的多种因素，从试验原理上保证了模态参数的识别是在工件实际铣削过程中完成的，使得用以进行相关稳定性分析的稳定性模型更为精确；此外，试验中力锤的冲击激励点选择在前期试验确定的切削颤振最严重处，例如整体叶轮大叶片进气口处。

步骤2：建立叶轮叶片铣削稳定性模型：如图2所示，根据经典再生振颤模型，铣刀齿数为z，第j(j＝1～N)个齿动态切削厚度：

其中，f_z为每齿进给量，接触角φ(j)＝(j-1)φ_p+φ，φ_p为齿距角(对于等齿距刀具φ_p＝2π/N)，第一刀齿的刀具位置角φ＝Ωt，Ω为旋转角速度；

是由刀具或工件振动引起的在切削厚度方向上的附加位移量，v_j可表示为v_jp＝-xsinφ_j-ycosφ_j，p＝c，w分别代表刀具和工件。

去除与再生颤振无关的静态分量(f_tsinφ_j)部分，可将式(1)简化为：

h_j(φ)＝[Δxsinφ_j+Δycosφ_j](2)

其中， $\mathrm{\Δx}=(x_c-x_c^0)-(x_w-x_w^0),$ $\mathrm{\Δy}=(y_c-y_c^0)-(y_w-y_w^0),$ (x_c，y_c)和(x_w，y_w)分别为刀具和工件在X和Y方向上的动态坐标。

这样，第j个齿的切向和径向切削力就可以表示为：

F_tj(φ)＝K_tah_j(φ)；F_rj(φ)＝K_rF_tj(φ)(3)

其中，a为轴向切削深度，K_t和K_r是切削力系数。

将式(2)代入(3)，并将切削力在X和Y方向上分解，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\end{array}\right\}=\frac{1}{2}a{K}_t\left[\begin{array}{cc}{a}_{\mathrm{xx}}& a_{\mathrm{xy}}\\ a_{\mathrm{yx}}& a_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\end{array}\right\}---\left(4\right)$

其中a_xy为方向系数。进一步简化可将动态切削力表示为：

$\left\{F\left(t\right)\right\}=\frac{1}{2}{K}_t\left[A\left(t\right)\right]\left\{\mathrm{\Δ}\left(t\right)\right\};---\left(5\right)$

其中，方向系数为：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_{\mathrm{xx}}=\frac{1}{2}{[\cos 2\mathrm{\φ}-2K_r\mathrm{\φ}+K_r\sin 2\mathrm{\φ}]}_{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{st}}}^{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ex}}}\\ a_{\mathrm{xy}}=\frac{1}{2}{[-\sin 2\mathrm{\φ}-2\mathrm{\φ}+K_r\cos 2\mathrm{\φ}]}_{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{st}}}^{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ex}}}\\ a_{\mathrm{yx}}=\frac{1}{2}{[-\sin 2\mathrm{\φ}+2\mathrm{\φ}+K_r\cos 2\mathrm{\φ}]}_{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{st}}}^{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ex}}}\\ a_{\mathrm{yy}}=\frac{1}{2}{[-\cos 2\mathrm{\φ}-2K_r\mathrm{\φ}-K_r\sin 2\mathrm{\φ}]}_{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{st}}}^{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ex}}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

利用傅立叶级数展开，得到式(5)在频域的描述方程：

$\left\{F\right\}{e}^{i{w}_{c}t}=\frac{1}{2}a{K}_t(1-e^{-i{w}_{c}T})\left[A_0\right]\left[G\left({\mathrm{iw}}_c\right)\right]e^{i{w}_{c}t}---\left(7\right)$

其中， $\left[G_p\right]=\left[\begin{array}{cc}{G}_{\mathrm{pxx}}& G_{\mathrm{pxy}}\\ G_{\mathrm{pyx}}& G_{\mathrm{pyy}}\end{array}\right],(p=c,w),$ 为刀具-工件接触区的传递函数矩阵，{F}为动态切削力的值。

令式(7)的行列式值为零，得到它的特解：

det{[I]+Λ[G₀(iw_c)]}＝0    (8)

其特征值为：

$\mathrm{\Λ}=-\frac{N}{4\mathrm{\π}}{K}_{t}a(1-e^{-i{w}_{C}T})$

忽略振型耦合影响，G_xy和G_yx为零，则：

$\mathrm{\Λ}=-\frac{1}{2a_0}(a_1\±\sqrt{a_1^2-4a_0})---\left(9\right)$

其中，a₀＝G_xx(iw_c)G_yy(iw_c)(a_xxa_yy-a_xya_yx)，

a₁＝a_xxG_xx(iw_c)+-a_yyG_yy(iw_c)

同时考虑到薄壁叶片的厚度高度比＜1/8，工件刚性远弱于刀具刚性，在稳定性分析时将机床-刀具系统设定为刚性，只考虑y方向单自由度，G_xx为零，则得到零件y方向上的传递函数：

$G_{\mathrm{yy}}=\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{NaK}}_r{a}_{\mathrm{yy}}(1-e^{-\mathrm{iwT}})}---\left(10\right)$

令特征值的虚部与实部的比值：

$\mathrm{\κ}=\frac{{\mathrm{\Λ}}_I}{{\mathrm{\Λ}}_R}=\frac{\sin w_{c}T}{1-\cos w_{c}T}---\left(11\right)$

可得，临界轴向切削深度为：

$a_{\lim }=-\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\Λ}}_R}{{\mathrm{NK}}_t}(1+{\mathrm{\κ}}^2)---\left(12\right)$

对式(11)进行三角变换，并代入主轴转速

(NT为铣刀旋转一圈的周期)，则临界轴向切深对应的主轴转速：

$N=\frac{{60w}_c}{N(2\mathrm{m\π}+\mathrm{\π}-2\arctan \mathrm{\κ})}---\left(13\right)$

其中，m＝0，1，2，3...

步骤3：叶轮叶片动态刚度稳定性研究：根据步骤1与步骤2所得的叶轮叶片铣削稳定性建模和叶轮叶片模态参数，完成薄壁叶轮叶片稳定性Lobe曲线图的计算和绘制。其中，铣削力并不是一个高频信号，即使在高速铣削工艺当中也极难达到工艺系统的第一阶模态的共振频率，二阶以后的高阶模态受铣削激振力的影响基本可以忽略，因此在对铣削工艺系统模态参数拟合和分析当中只考虑第一阶模态参数。

步骤4：获得叶轮叶片动态刚度下的切削稳定性条件：结合叶轮叶片的高度即铣削轴向深度，分析不同厚度下叶轮叶片的稳定性Lobe曲线图，继而根据叶轮叶片动态刚度下的极限稳定性Lobe曲线图，优化切削参数，使得优化后的主轴转速落在稳定范围内。

步骤5：验证切削稳定性条件并采用最终优化后的切削参数进行加工：采用步骤4优化的切削参数获得切削振动信号，结合机床以及高切速带来的高温限制，对切削参数进一步优化，并且采用最终优化后的切削参数对所述叶轮叶片进行加工。

本发明针对薄壁类叶轮叶片的弱刚性特点，通过模态试验获得不同厚度叶片的模态参数，建立了基于再生切削颤振的稳定性模型，获得临界切深与机床转速的稳定性方程，根据该稳定性方程获得叶轮叶片刚度动态变化下的稳定Lobe曲线图，再依据该稳定Lobe曲线图优化切削参数，并采用最终优化后的切削参数进行叶轮叶片的加工。所述的基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法解决了叶片类薄壁件铣削精加工的切削振颤问题，通过优化切削参数，显著地提高了加工稳定性。本发明也适用于类似薄壁件的精加工。

Claims (3)

1.一种基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法，其特征在于：通过标准模态试验获得所述叶轮叶片的动态模态，然后引入颤振模型，得到稳定性判据，获取合理的加工参数。

2.根据权利要求1所述的基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法，其特征在于：所述加工方法包括如下步骤：

步骤1：模态试验测定叶轮叶片的动态模态：采用标准力锤冲击试验，通过采集力锤的冲击激励信号以及加速度传感器的响应信号，针对叶轮叶片加工中不同阶段的壁厚，应用计算机拟合出该叶轮叶片不同厚度条件下的模态参数；

步骤2：建立叶轮叶片铣削稳定性模型：根据经典再生振颤模型，设定机床-刀具系统为刚性，得到临界轴向切削深度及其对应的主轴转速；

步骤3：叶轮叶片动态刚度稳定性研究：根据步骤1与步骤2所得的叶轮叶片铣削稳定性建模和叶轮叶片模态参数，完成叶轮叶片稳定性Lobe曲线图的计算和绘制；

步骤4：获得叶轮叶片动态刚度下的切削稳定性条件：结合叶轮叶片的高度即铣削轴向深度，分析不同厚度下叶轮叶片的稳定性Lobe曲线图，继而根据叶轮叶片动态刚度下的极限稳定性Lobe曲线图，优化切削参数，使得优化后的主轴转速落在稳定范围内；

步骤5：验证切削稳定性条件并采用最终优化后的切削参数进行加工：采用步骤4优化的切削参数获得切削振动信号，结合机床以及高切速带来的高温限制，对切削参数进一步优化，并且采用最终优化后的切削参数对所述叶轮叶片进行加工。

3.根据权利要求2所述的基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法，其特征在于：所述步骤1中，模态试验是叶轮叶片毛坯在加工中心上完成粗加工与半精加工的在线过程中完成的。

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