CN102601434B - 一种整体叶轮开槽插铣加工优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整体叶轮开槽插铣加工优化方法，其建立插铣动力学模型和大圆角插铣刀非对称插铣的铣削力模型，将通过模态试验获得的模态参数和由铣削力模型得到的动态铣削力代入到动力学方程中从而进一步对切削力进行修正；建立等效刀杆稳定性分析有限元模型，引入变形比和刀杆危险位置径向偏移量，从而获取优化的切削参数。所述方法解决了整体叶轮开槽插铣加工中切削参数的选择优化问题，从而避免了加工过程中刀具和工件产生干涉现象，达到了叶片变形小、切削效率高的有益效果。本发明也适用于类似零件的开槽插铣粗加工。

Description

一种整体叶轮开槽插铣加工优化方法

技术领域

本发明涉及一种航空发动机整体叶轮的加工方法，具体涉及一种整体叶轮开槽插铣加工的切削参数的选择和优化方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

整体叶轮作为动力机械的关键部件，其广泛应用于航空、航天、动力等多个领域。叶轮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，而整体叶轮开槽粗加工插铣技术是叶轮加工过程中的关键技术之一，其质量直接影响后续半精加工和精加工的加工质量，因此整体叶轮的开槽粗加工插铣过程中，选用何种切削参数，使得叶轮叶片变形最小同时切削效率最高，成为整体叶轮的插铣加工技术的关键。由于插铣过程中主切削力方向沿机床轴线，制造整体叶轮的高温合金材料难以实现满刀插铣，而是采用非对称插铣，即切宽小于刀具直径，从而不可避免地依然存在一定径向力，可能导致插铣过程发生“让刀”，无法保证插铣表面的垂直度，造成刀具剧烈磨损等现象。综合考虑插铣“让刀”所引起的宏观刀杆变形与插铣过程中振动所引起的切削厚度微观变化对切削力的影响，从而精准预测插铣动态切削力，并考虑插铣过程中的稳定性来实现切削参数的最优化，是提高生产效率和改善加工质量的关键所在。

关于整体叶轮粗加工插铣的专利，专利申请号为200610125473.X的中国发明专利说明书公开了一种可加工整体叶轮自由曲面叶片的整体叶轮叶片的插铣刀加工方法，其特点在于插铣刀在叶片上的走刀方向为叶轮径向，满足了大直径、高精度叶轮产品加工的需要；专利申请号为200810038261.7的中国发明专利说明书公开了一种整体叶轮的加工方法，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；专利申请号为201010611522.7的中国发明专利说明书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方法，其特点在于将空间自由曲面拆分成多个待加工区域，选择合适的插铣刀规划加工路线，从而生成数控刀具轨迹来对零件进行加工。上述专利存在的一个共同点是都没有涉及整体叶轮粗加工插铣切削参数的选择和优化，只是强调了走刀路径和五轴数控的整体加工方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的的不足，提供一种整体叶轮开槽插铣加工优化方法，解决整体叶轮开槽插铣加工中切削参数的选择优化问题，从而达到叶片变形小、切削效率高的有益效果。

本发明是通过以下技术方案来解决其技术问题的：

一种整体叶轮开槽插铣加工优化方法，其特征在于：建立插铣动力学模型和大圆角插铣刀非对称插铣的铣削力模型，将通过模态试验获得的模态参数和由铣削力模型得到的动态铣削力代入到动力学方程中从而进一步对切削力进行修正；建立等效刀杆稳定性分析有限元模型，引入变形比和刀杆危险位置径向偏移量，从而获取优化的切削参数。

本发明所述的整体叶轮开槽插铣加工优化方法，其具体步骤如下：

步骤1：建立插铣动力学模型，通过模态试验确定动力学方程；

步骤2：建立大圆角插铣刀非对称插铣的铣削力模型，对大圆角插铣刀的刀刃进行离散化建模并分段考虑直线刃与圆角刃的加工特点，建立等效三维有限元仿真模型，预测动态插铣切削力，并由刀具模态参数和动态插铣力求得切削力所产生的微观振动位移和宏观“让刀”位移；

步骤3：叠加微观振动位移和宏观“让刀”位移得出修正的未变形切削层参数，反馈于动态切削力预测，获得修正的动态切削力预测值；

步骤4：将修正后的动态切削力预测值代入等效刀杆系统稳定性分析有限元模型，获得不同直径的铣刀在不同切削宽度下的刀杆变形，引入变形比来衡量变形量与材料去除率之间的权重关系；

步骤5：依据离开刀尖一定距离处的刀杆危险位置径向偏移量是否小于与工件发生接触摩擦的距离来优化插铣切削参数，该距离为大圆角插铣刀刀头的高度。

所述的整体叶轮开槽插铣加工方法建立插铣动力学模型，通过考察刀具变形比和刀杆径向偏移量，最终得到最优化的插铣切削参数，其特征在于：所述的插铣动力学模型的建立；所述的大圆角插铣刀非对称插铣的铣削力模型，分段考虑直线刃与圆角刃；所述的等效刀杆系统稳定性分析有限元模型；引入变形比和刀杆危险位置径向偏移量来衡量变形量与材料去除率之间的权重关系。

与现有的插铣技术相比，本发明的主要优点在于：解决了整体叶轮开槽插铣加工过程中切削宽度的选择问题，避免了加工过程中刀具和工件产生干涉现象，达到了叶片变形小、切削效率高的技术效果。本发明同样适用于类似的粗加工插铣加工。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明的铣削力的建模示意图。

图3是本发明的等效刀杆稳定性分析有限元模型。

具体实施方式

本发明所述的整体叶轮开槽插铣加工优化方法的内容是，建立插铣动力学模型和大圆角插铣刀非对称插铣的铣削力模型，将通过模态试验获得的模态参数和由铣削力模型得到的动态铣削力代入到动力学方程中从而进一步对切削力进行修正；建立等效刀杆系统稳定性分析有限元模型，引入变形比和刀杆危险位置径向偏移量，从而获取优化的切削参数。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，阐述各个步骤的详细情况。

实施例采用DMU70V数控铣削中心，刀具采用φ12的SECO整体可换刀头式TiAlN涂层插铣刀，加工对象为镍基高温合金整体叶轮。φ12铣刀的切削参数选择范围分别为：v_c＝30m/min，f_z＝0.05mm/z，刀具切削宽度范围从1mm到3mm。通过下述方法步骤对铣削参数进行优化，从而选出能够达到变形最小、效率最高的最佳铣削加工参数。

请参阅图1，实施例的具体步骤如下：

步骤1：建立插铣动力学模型，通过模态试验确定动力学方程。

假设加工系统X、Y、Z方向存在振动分量，并同时存在扭振分量θ。研究过程中考虑轴向位移与扭振的耦合作用，每个方向的自由度频响函数通过模态试验获得，可建立切削动力学方程：

$\left\{\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ \mathrm{\θ}\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{xx}}& 0& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{yy}}& 0& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{zz}}& {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{z\θ}}\\ 0& 0& {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{z\θ}}& {\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\θ\θ}}\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\\ F_z\\ T_{\mathrm{\θ}}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

式中，(x，y，z，θ)分别为切削力(F_x，F_y，F_z)与扭矩(T_θ)所产生的线性振动分量与扭振分量；等式右边第一个矩阵为插铣模态参数矩阵，通过模态试验得到，第二个矩阵即为插铣过程的动态切削力。

刀尖点的直接传递函数(φ_xx，φ_yy，φ_zz，φ_θθ)与交互传递函数(φ_zθ，φ_θz)由模态试验参数表达如下：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\α\β}}\left(s\right)=\frac{\mathrm{\Δ\α}}{F_{\mathrm{\β}}}=\underset{h=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{{\mathrm{\ω}}^2}_{\mathrm{nh}}/K_h}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_h{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nh}}s+{{\mathrm{\ω}}^2}_{\mathrm{nh}}}---\left(2\right)$

式中，αβ表示切削力沿β方向加载在刀具上时，刀具中心点坐标α的位移增量，H是系统中模态总数量，h代表每一个模态，ω_nh、K_h与ζh分别是刀具的固有频率、刚度系数与阻尼比。

通过交互传递函数(φ_zθ，φ_θz)考虑插铣过程中轴向振动与扭振的耦合效应。刀具的总振动位移可以通过对振动分量求和得到：

$\mathrm{\Δ\α}\left(t\right)=\underset{h=1}{\overset{H}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_h\left(t\right)---\left(3\right)$

步骤2：建立大圆角插铣刀非对称插铣的铣削力模型，对大圆角插铣刀的刀刃进行离散化建模并分段考虑直线刃与圆角刃的加工特点，建立等效三维有限元仿真模型，预测动态插铣切削力，并由刀具模态参数和动态插铣力求得切削力所产生的微观振动位移和宏观“让刀”位移。

如图2所示，图中，F_t为切削切向力，F_a为切削轴向力，F_r为切削径向力，dF_t为切削切向力微分，dF_a为切削轴向力微分，dF_r为切削径向力微分，a_e为径向切深即插铣切削宽度，l₁为AB段切削刃的切削宽度，l₂为BC段切削刃的切削宽度，f_z为每齿进给量，V为切削速度。

将大圆角插铣刀的整个切削刃分为直线部分和圆弧部分，从而插铣合力为两部分铣削力的和。插铣过程中瞬时切削宽度是位置角的函数，且有限元模型仿真的边界条件中只有切削宽度是变量。通过有限元预测在1mm、2mm和3mm不同插铣切削宽度下的铣削力。将铣削试验得出的刀具模态参数和建模得出的插铣力预测值代入上述公式(1)即可求出切削力所产生的线性振动位移分量，将预测动态切削力作为输入载荷作用于刀具可求出动态力作用下的宏观“让刀”位移。

步骤3：叠加微观位移和宏观“让刀”位移得出接近实际条件、更准确的修正的未变形切削层参数，反馈于动态切削力预测，获得修正的动态切削力预测值。

步骤4：将修正后的动态切削力预测值代入等效刀杆系统稳定性分析有限元模型，获得不同直径的铣刀在不同切削宽度下的刀杆变形，引入变形比来衡量变形量与材料去除率之间的权重关系。

如图3所示，将修正后的动态切削力预测值代入等效刀杆系统稳定性分析有限元模型，从而获得φ12的铣刀在切削宽度分别为1mm、2mm和3mm的刀杆变形。在刀杆系统稳定性分析有限元模型中，刀柄网格被设定为全约束，因而不参与变形，为了提高计算效率，采用区域网格划分方法，刀柄网格较为稀疏，而承受切削力的刀杆网格较密。设定分析时间为插铣刀具单刃的一次切入、切出时间，在有限元模型中，将动态切削力作为载荷施加在图3所示节点，模拟切削过程中刀杆的动态变形，得出刀杆的最大变形量。

定义变形比为刀杆的最大变形量与切削宽度的比值，通过变形比来衡量变形量与材料去除率之间的权重关系。按照上述方法得出φ12的铣刀刀杆在切削宽度为1mm、2mm和3mm时的变形比分别为16.62％、15.22％和27.96％。切削宽度为3mm的铣刀刀杆的变形比远远超过其他切削宽度，不符合加工要求。

步骤5：依据离开刀尖一定距离处的刀杆危险位置径向偏移量是否小于与工件发生接触摩擦的距离来优化插铣切削参数。

对不同切削宽度下的φ12铣刀的刀杆变形进行进一步分析。由于当发生“让刀”时危险部位发生在刀杆上离开刀尖一定距离的部位，该试验中插铣刀刀头高度5mm，所以从刀尖到刀柄方向5mm距离处为刀杆末端(不具备切削能力)，且变形量较大，所以对该部位的变形进行分析。

该处刀杆径向偏移量在切削宽度为1mm、2mm和3mm时的径向偏移量分别为0.107mm、0.195mm和0.523mm。而该刀具刀头外圆直径为12mm，刀杆直径为11.7mm，所以允许的最大径向偏移量为0.3mm。切削宽度为3mm的铣刀刀杆在该部位的变形不符合加工要求，而切削宽度为1mm的铣刀刀杆的材料去除率偏小，切削效率低。在考虑材料的切除率的情况下对切削宽度进行优化的最终结果为：切削宽度2mm从材料的去除率和刀杆的变形程度考虑是最优的。

总之，本发明所述的整体叶轮开槽插铣加工优化方法围绕插铣刀具切削过程中的动力学问题及插铣稳定性问题展开研究，针对插铣特点建立插铣动力学模型和大圆角插铣刀非对称插铣的铣削力模型，结合模态试验方法得出微观振动位移，同时对插铣刀杆动态切削力进行有限元分析得出宏观“让刀”位移，综合考虑宏观和微观位移得出实际未变形切削厚度，从而对切削力进行修正；建立等效刀杆稳定性分析有限元模型，引入变形比和刀杆危险位置径向偏移量来优化插铣切削参数。

本发明解决了整体叶轮插铣加工的切削参数选择问题，通过优化切削参数，得到一种叶片变形小、切削效率高的整体叶轮插铣加工方法，在提高加工稳定性的同时也提高了切削效率。本发明也适用于类似零件的开槽粗加工插铣加工。

Claims (2)

1.一种整体叶轮开槽插铣加工优化方法，其特征在于：建立插铣动力学模型和大圆角插铣刀非对称插铣的铣削力模型，将通过模态试验获得的模态参数和由铣削力模型得到的动态铣削力代入到动力学方程中从而进一步对切削力进行修正；建立等效刀杆系统稳定性分析有限元模型，引入变形比和刀杆危险位置径向偏移量，从而获取优化的切削参数；所述的加工优化方法具体步骤如下：

步骤1：建立插铣动力学模型，通过模态试验确定动力学方程；

步骤2：建立大圆角插铣刀非对称插铣的铣削力模型，对大圆角插铣刀的刀刃进行离散化建模并分段考虑直线刃与圆角刃的加工特点，建立等效三维有限元仿真模型，预测动态插铣切削力，并由刀具模态参数和动态插铣力求得切削力所产生的微观振动位移和宏观“让刀”位移；

步骤3：叠加微观振动位移和宏观“让刀”位移得出修正的未变形切削层参数，反馈于动态切削力预测，获得修正的动态切削力预测值；

步骤4：将修正后的动态切削力预测值代入等效刀杆系统稳定性分析有限元模型，获得不同直径的铣刀在不同切削宽度下的刀杆变形，引入变形比来衡量变形量与材料去除率之间的权重关系；

步骤5：依据离开刀尖一定距离处的刀杆危险位置径向偏移量是否小于与工件发生接触摩擦的距离来优化插铣切削参数。

2.根据权利要求1所述的整体叶轮开槽插铣加工优化方法，其特征在于：步骤5中所述的离开刀尖一定距离为大圆角插铣刀刀头的高度。

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