CN111069941B - 一种用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的夹具系统及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的夹具系统及加工方法，夹具系统包括压力传感器、振动加速度传感器、信号采集与处理设备和用于夹持工件的夹具，夹具包括夹具主体、压板、上板和压紧螺栓，压力传感器、振动加速度传感器均和信号采集与处理设备电气连接，压板与上板通过压紧螺栓连接形成一个容纳工件的空间，上板安装在夹具主体上，压力传感器内置于夹具主体内，振动加速度传感器内置于上板内。本发明能够实时监测加工状态，如刀具磨损，异常振动，切削力等参数的夹具系统，并依据监测刀的状态调整加工策略的方法，实现涡轮盘榫槽的最优加工。

Description

一种用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的夹具系统及加工 方法

技术领域

本发明属于板材成形技术领域，具体为一种高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的夹具系统及加工方法。

背景技术

涡轮盘作为燃气轮机的关键部件，其与叶片通过榫槽连接，在重载大功率传递的工况中，涡轮盘与叶片连接处的榫槽的连接精度对其连接可靠性至关重要。涡轮盘的材料通常为镍基合金，加工过程中刀具易磨损，易发生颤振，严重影响了加工效率及加工精度。为解决以上问题，本发明提供了一种能够实时监测加工状态，如刀具磨损，异常振动，切削力等参数的夹具系统，并依据监测刀的状态调整加工策略的方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种铝锂合金复杂曲面薄壁构件超低温成形装置及方法，从而解决上述问题。

为实现上述目的，本发明首先公开了一种用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的夹具系统，包括压力传感器、振动加速度传感器、信号采集与处理设备和用于夹持工件的夹具，所述夹具包括夹具主体、压板、上板和压紧螺栓，所述压力传感器、振动加速度传感器均和所述信号采集与处理设备电气连接，所述压板与上板通过所述压紧螺栓连接形成一个容纳所述工件的空间，所述上板安装在所述夹具主体上，所述压力传感器内置于所述夹具主体内，所述振动加速度传感器内置于所述上板内。

进一步的，所述压板与上板之间设置有一压块，所述压块的厚度与所述工件相同，且该压块相对所述工件垂直设置在所述空间的一侧，所述夹具主体的下侧设置有一下板，所述下板上设置有用于安装固定的腰型孔。

进一步的，在夹具主体内的压力传感器与上板的接触面积分别为S1，S2，S3，S4，S5，S6……Sn，S1至Sn的递增接触面积ΔS为

最小接触面积S1由加工中出现的最大切削力Fmax与压力传感器的材料强度E确定S1＝Fmax/E，最大切削力通过拉削试验加工涡轮盘榫槽中出现获的最大切削力Fmax，压力传感器的材料强度E可通过材料的拉伸或者压缩试验获得；最大接触面积Sn为加工中出现的最小切削力与压力传感器的灵敏度决定，最大切削力通过拉削试验加工涡轮盘榫槽中出现获的最小切削力Fmin，灵敏度为引起压力传感器内电压变化的最小应变D，压力传感器的材料的弹性模量E1，通过材料的拉伸或者压缩试验最大接触面积

由于最小应变与材料的弹性模量的乘积始终远小于材料的强度，超过10倍，拉削加工涡轮盘榫槽的不同工艺下的最大切削力与最小切削力的差距不会相隔5倍，使得接触面积Sn，总是大与接触面积S1，安装不同的接触面积夹具系统，开展模态力锤测试，获得其响应曲线，选择夹具系统在最小加工激励频率及最大加工激励频率内的单位切削力激励下的幅值最小的接触面积。

然后本发明公开了一种用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的加工方法，包括上述方案所述的用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的夹具系统，包括如下步骤：

1)，建立拉削加工中动力学方程：

其中，m为夹具的模态质量，c为夹具阻尼系数，k为夹具的模态刚度，Fy为Y向的切削力，

为Y向的振动加速度，

为Y向的振动速度，y(t)为Y向的振动位移，a为切削宽度，k_f为Y向的切削力系数，h为切削深度，k_d为动态切削力阻尼系数，y(t)为当前刀具的切削位置，y(t-T)为前一个周期T的刀具的切削位置，y(y-T)-y(t)为由于刀具振动造成的动态切削深度变化，T为当前刀齿与前一个刀齿切削时的时间间隔，即为刀齿切削周期；a为切削宽度与h为切削深度为加工中的设定的；

2)，进行切削力系数识别试验得到Y向的切削力系数k_f和Y向的动态切削力阻尼系数k_d；

3)，将工件安装在夹具上，将压力传感器和振动加速度传感器连接至信号采集与处理设备，进行模态试验获取在加工中最大的激励频率最大值f_ω-max，最小激励频率f_ω-min范围内的夹具的不同阶数下的多个模态质量m、阻尼系数c和模态刚度k；

4)，通过多频域法求解出切削加工中的稳定区域或采用全离散法求解不同阶数模态参数下的稳定区域；

5)，进行加速度信号的分析；

6)，进行切削力分析。

进一步的，在所述步骤1)中，周期T通过拉削加工速度v及刀齿间距p确定，拉削速度v设定的切削参数(转/分钟)，T＝p/v，其中，拉削速度单位为m/s，刀齿间距p的单位为mm。

进一步的，在所述步骤2)中，Y向的切削力系数k_f与动态切削力阻尼系数k_d通过多组切削参数下的切削力试验获得，将切削力与切削面积进行拟合获得Y向的切削力系数k_f，将切削力与切削速度进行拟合获得Y向的动态切削力阻尼系数k_d。

进一步的，在所述步骤3)中，所述夹具的模态质量m、阻尼系数c和模态刚度k通过力锤测试获得。

进一步的，在所述步骤4)中，选择拉床高效加工榫槽的拉削速度范围均稳定的最大切削深度a_lim为h，则拉刀的齿升量为2h/3。

进一步的，在所述步骤4)中，在切削深度为a₁时，在加工速度在v₁-v₂之间，设定拉削加工速度1、拉削加工速度2、拉削加工速度3依次为v₁、

和v₂，分别将未磨损的刀具N，超过磨损标准的刀具W开展切削试验，采集振动加速度信号及噪音信号，分别获得未磨损加速度在不同转速下的最大振副分别为A^N ₁、A^N ₂和A^N ₃，获得未磨损加速度在不同转速下的振副分别为A^w ₁、A^w ₂和A^w ₃，，将振动加速度时域信号通过傅里叶转换，转化为加速度在频域内信号，在以上最大振幅出现的频率的频域信号(ω₁-100,ω₁+100)内选择一个频带，进行未磨损刀具的3组振动信号，磨损刀具的3组振动信号进行时域内积分获得其能量比，获得其未磨损刀具的3组振动信号随时间增加的能量比进行线性拟合，其斜率为E1～E2。磨损刀具的3组振动信号随时间增加的能量比进行线性拟合，其斜率为E3～E4。若加工中振动能量比随时间变化曲线斜率在E1～E2内，则刀具未磨损，可继续加工；若加工中振动能量比随时间变化曲线斜率在E3～E4内，则刀具已磨损，需停止加工更换刀具；若加工中振动能量比随时间变化曲线斜率在其它范围内，则刀具正常磨损，需关注加工切削振动能量比信号变化，可继续加工。

进一步的，在所述步骤6)中，当压力传感器检测到三个方向的切削力呈现初步增加的趋势后，若出现了锯齿状的切削力随时间变化趋势，则为正常的受迫振动；否则为异常振动，立即停止加工。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的夹具系统及加工方法，从而能够实时监测加工状态，如刀具磨损，异常振动，切削力等参数的夹具系统，并依据监测刀的状态调整加工策略的方法，实现涡轮盘榫槽的最优加工。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例公开的用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的夹具系统的轴测示意图；

图2是本发明优选实施例公开的用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的加工方法中的依据全离散法求解出切削加工中的稳定区域的示意图；

图3是本发明优选实施例公开的用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的加工方法中的异常加工时切削力随时间变化示意图；

图4是本发明优选实施例公开的用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的加工方法中的正常常加工时切削力随时间变化示意图。

图例说明：

1、夹具主体；2、压块；3、压板；4、压紧螺栓；5、固定螺栓；6、工件；7、上板；8、下板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，本发明首先公开了一种用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的夹具系统，包括压力传感器、振动加速度传感器、信号采集与处理设备和用于夹持工件的夹具，夹具包括夹具主体1、压板3、上板7和压紧螺栓4，压力传感器、振动加速度传感器均和信号采集与处理设备电气连接(均未示出)，压板3与上板7通过压紧螺栓4连接形成一个容纳工件6的空间，上板7安装在夹具主体1上，压力传感器内置于夹具主体1内，振动加速度传感器内置于上板7内。同时，压板3与上板7之间设置有一压块2，压块2的厚度与工件6相同，且该压块2相对工件6垂直设置在空间的一侧，从而可以根据工件6的厚度调整，以便于更好固定连接夹紧工件6。夹具主体1的下侧设置有一下板8，下板8上设置有用于安装固定的腰型孔，通过腰型孔固定螺栓而安装到拉床上，其中，固定螺栓5长度相对较长，在离切削处较近，用于直接拧紧固定工件6，压紧螺栓4离切削距离较远，用于压紧压板3、平衡切削力造成的弯矩，压紧工件6。

在本实施例中，在拉削加工涡轮盘榫槽的过程中，切削深度及宽度分别由刀具的齿升量，刀具的宽度决定，可以实时调整的只有拉削速度，拉削加工速度v及刀齿间距p确定加工中的激励频率f_ω，拉床拉削加工的最小加工速度为v_min，最大的加工速度为v_max，加工中最大的激励频率最大值f_ω-max为

最小激励频率f_ω-min为

由于榫槽结构复杂的曲面，采用刀齿间距一致的多把拉刀在多个工序完成涡轮盘榫槽加工。为降低刀齿切入切出造成的冲击切削力激励夹具系统的振动幅值，振动会严重损害工件的表面质量及刀具的寿命，引起压力传感器的振动，造成在采集的切削力信号偏离实际。为避免以上问题出现，我们对夹具系统的结构动态特性进行优化设计，在夹具主体内的压力传感器与上板的接触面积分别为S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8和S9。递增接触面积ΔS为

最小接触面积S1由加工中出现的最大切削力与压力传感器的材料强度确定S1＝Fmax/E，，最大切削力通过拉削试验加工涡轮盘榫槽中出现获的最大切削力Fmax，压力传感器的材料强度E可通过材料的拉伸或者压缩试验获得。最大接触面积S9为加工中出现的最小切削力与压力传感器的灵敏度决定，最大切削力通过拉削试验加工涡轮盘榫槽中出现获的最小切削力Fmin，灵敏度为引起压力传感器内电压变化的最小应变D，压力传感器的材料的弹性模量E1，可通过材料的拉伸或者压缩试验最大接触面积

由于最小应变与材料的弹性模量的乘积始终远小于材料的强度，超过10倍，拉削加工涡轮盘榫槽的不同工艺下的最大切削力与最小切削力的差距不会相隔5倍，使得接触面积S9，总是大与接触面积S1。安装不同的接触面积夹具系统，开展模态力锤测试，获得其响应曲线，选择夹具系统在最小加工激励频率及最大加工激励频率内的单位切削力激励下的幅值最小的接触面积。

然后，本发明公开了一种用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的加工方法，包括如下步骤：

1)，由于加工中，拉刀在固定的导套中运动，其刚度通常较大，由于夹具固定在拉床上，工件6固定在夹具中，工件6具有一定的悬臂长度，与刀具及拉床其它部件相比，夹具系统的刚度相对较弱，会直接影响加工中的动态响应。首先，建立拉削加工中动力学方程，如下所示：

其中m为夹具的模态质量，c为夹具阻尼系数，k为夹具的模态刚度，Fy为Y向(依据夹具的安装方向确定，在本实施例中为竖直方向)的切削力，

为Y向的振动加速度，

为Y向的振动速度，y(t)为Y向的振动位移，a为切削宽度，k_f为Y向的切削力系数，h为切削深度，k_d为动态切削力阻尼系数，y(t)为当前刀具的切削位置，y(t-T)为前一个周期T的刀具的切削位置，y(y-T)-y(t)为由于刀具振动造成的动态切削深度变化，T为当前刀齿与前一个刀齿切削时的时间间隔，即为刀齿切削周期。a为切削宽度与h为切削深度为加工中的设定的。周期T可以通过拉削加工速度v及刀齿间距p确定，拉削速度v设定的切削参数(转/分钟)，T＝p/v。拉削速度的单位为m/s，刀齿间距p的单位为mm。

2)，进行切削力系数识别试验

Y向的切削力系数k_f与动态切削力阻尼系数k_d可以通过多组切削参数下的切削力试验获得。将切削力与切削面积进行拟合获得Y向的切削力系数k_f，将切削力与切削速度进行拟合获得Y向的动态切削力阻尼系数k_d。

3)，进行模态试验

将工件6固定在夹具上，夹具固定在机床上，加速度传感器布置在上板7上，通过力锤测试获得安装工件后夹具的模态刚度，阻尼系数及模态刚度。即通过模态试验获得了夹具系统的模态质量m，阻尼系数c，模态刚度k。

4)，稳定区域求解

依据全离散法求解出切削加工中的稳定区域，如图2所示。依据榫槽加工的稳定区域图，选择拉床高效加工榫槽的拉削速度范围均稳定的最大切削深度a_lim为h，则拉刀的齿升量为2h/3。这是为了进一步提高稳定加工的可靠性。

5)，加速度信号的分析

在切削深度为a₁时，将加工速度在v₁-v₂之间，拉削速度取v₁、

和v₂，分别设定为拉削加工速度1、拉削加工速度2和拉削加工速度3，分别将未磨损的刀具N，超过磨损标准的刀具W开展切削试验，采集振动加速度信号及噪音信号。分别获得未磨损加速度在不同转速下的最大振副分别为A^N ₁，A^N ₂和A^N ₃，获得未磨损加速度在不同转速下的振副分别为A^w ₁，A^w ₂和A^w ₃。将振动加速度时域信号通过傅里叶转换，转化为加速度在频域内信号。在以上频域信号内选择一个频带，(ω₁-100,ω₁+100)，其中ω₁为最大振幅出现的频率，之所以选择上下偏差100的频带进行分析，这是考虑到拉削中激励的频率通过不会超过100HZ，缩小频带范围，有助于提高分析的精度。进行未磨损刀具的3组振动信号，磨损刀具的3组振动信号进行时域内(时间1-10分钟)积分获得其能量比，获得其未磨损刀具的3组振动信号随时间增加的能量比进行线性拟合，其斜率为E1～E2。磨损刀具的3组振动信号随时间增加的能量比进行线性拟合，其斜率为E3～E4。若加工中振动能量比随时间变化曲线斜率在E1～E2内，则刀具未磨损，可继续加工；若加工中振动能量比随时间变化曲线斜率在E3～E4内，则刀具已磨损，需停止加工更换刀具；若加工中振动能量比随时间变化曲线斜率在其它范围内，则刀具正常磨损，需关注加工切削振动能量比信号变化，可继续加工；以此为标准，判断稳定状态时，涡轮盘榫槽加工中刀具磨损状态。

6)，切削力分析

通过内置的压力传感器监测拉削过程中的切削力随时间变化趋势，若三个方向的切削力呈现初步增加的趋势，如附图3所示，则加工发生了异常振动，需立即停止加工。若出现了锯齿状的切削力随时间变化趋势，如图4所示，则为正常的受迫振动，继续加工。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的夹具系统，其特征在于，包括压力传感器、振动加速度传感器、信号采集与处理设备和用于夹持工件的夹具，所述夹具包括夹具主体、压板、上板和压紧螺栓，所述压力传感器、振动加速度传感器均和所述信号采集与处理设备电气连接，所述压板与上板通过所述压紧螺栓连接形成一个容纳所述工件的空间，所述上板安装在所述夹具主体上，所述压力传感器内置于所述夹具主体内，所述振动加速度传感器内置于所述上板内，所述压板与上板之间设置有一压块，所述压块的厚度与所述工件相同，且该压块相对所述工件垂直设置在所述空间的一侧，所述夹具主体的下侧设置有一下板，所述下板上设置有用于安装固定的腰型孔，在夹具主体内的压力传感器与上板的接触面积分别为S1，S2，S3，S4，S5，S6……Sn，S1至Sn的递增接触面积ΔS为

最小接触面积S1由加工中出现的最大切削力Fmax与压力传感器的材料强度E确定S1＝Fmax/E，最大切削力为通过拉削试验加工涡轮盘榫槽中出现的最大切削力Fmax，压力传感器的材料强度E可通过材料的拉伸或者压缩试验获得；最大接触面积Sn为加工中出现的最小切削力与压力传感器的灵敏度决定，最小切削力为通过拉削试验加工涡轮盘榫槽中出现的最小切削力Fmin，灵敏度为引起压力传感器内电压变化的最小应变D，压力传感器的材料的弹性模量E1，通过材料的拉伸或者压缩试验最大接触面积

由于最小应变与材料的弹性模量的乘积始终远小于材料的强度，超过10倍，拉削加工涡轮盘榫槽的不同工艺下的最大切削力与最小切削力的差距不会相隔5倍，使得接触面积Sn，总是大于接触面积S1，安装不同的接触面积夹具系统，开展模态力锤测试，获得其响应曲线，选择夹具系统在最小加工激励频率及最大加工激励频率内的单位切削力激励下的幅值最小的接触面积。

2.一种用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的加工方法，包括上述权利要求1所述的用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的夹具系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)，建立拉削加工中动力学方程：

其中，m为夹具的模态质量，c为夹具阻尼系数，k为夹具的模态刚度，Fy为Y向的切削力，

为Y向的振动加速度，

为Y向的振动速度，y(t)为Y向的振动位移，a为切削宽度，k_f为Y向的切削力系数，h为切削深度，k_d为动态切削力阻尼系数，y(t)为当前刀具的切削位置，y(t-T)为前一个周期T的刀具的切削位置，y(y-T)-y(t)为由于刀具振动造成的动态切削深度变化，T为当前刀齿与前一个刀齿切削时的时间间隔，即为刀齿切削周期，a为切削宽度与h为切削深度为加工中的设定的；

步骤2)，进行切削力系数识别试验得到Y向的切削力系数k_f和Y向的动态切削力阻尼系数k_d；

步骤3)，将工件安装在夹具上，将压力传感器和振动加速度传感器连接至信号采集与处理设备，进行模态试验获取加工中在最大激励频率f_ω-max和最小激励频率f_ω-min范围内的夹具的不同阶数下的多个模态质量m、阻尼系数c和模态刚度k；

步骤4)，通过多频域法求解出切削加工中的稳定区域或采用全离散法求解不同阶数模态参数下的稳定区域；

步骤5)，进行加速度信号的分析；

步骤6)，进行切削力分析。

3.根据权利要求2所述的用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的加工方法，其特征在于，在所述步骤1)中，周期T通过拉削加工速度v及刀齿间距p确定，T＝p/v，其中，拉削加工速度单位为m/s，刀齿间距p的单位为mm。

4.根据权利要求2所述的用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的加工方法，其特征在于，在所述步骤2)中，Y向的切削力系数k_f与动态切削力阻尼系数k_d通过多组切削参数下的切削力试验获得，将切削力与切削面积进行拟合获得Y向的切削力系数k_f，将切削力与切削速度进行拟合获得Y向的动态切削力阻尼系数k_d。

5.根据权利要求2所述的用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的加工方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述夹具的模态质量m、阻尼系数c和模态刚度k通过力锤测试获得。

6.根据权利要求2所述的用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的加工方法，其特征在于，在所述步骤4)中，选择拉床高效加工榫槽的拉削加工速度范围均稳定的最大切削深度a_lim为h，则拉刀的齿升量为2h/3。

7.根据权利要求2所述的用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的加工方法，其特征在于，在所述步骤5)中，在切削深度为a₁时，在加工速度在v₁-v₂之间，设定拉削加工速度1、拉削加工速度2、拉削加工速度3依次为v₁、

和v₂，分别将未磨损的刀具N，超过磨损标准的刀具W开展切削试验，采集振动加速度信号及噪音信号，分别获得未磨损加速度在不同转速下的最大振幅分别为A^N ₁、A^N ₂和A^N ₃，获得未磨损加速度在不同转速下的振幅分别为A^w ₁、A^w ₂和A^w ₃，将振动加速度时域信号通过傅里叶转换，转化为加速度在频域内信号，在以上最大振幅出现的频率的频域信号(ω₁-100,ω₁+100)内选择一个频带，进行未磨损刀具的3组振动信号，磨损刀具的3组振动信号进行时域内积分获得其能量比，获得其未磨损刀具的3组振动信号随时间增加的能量比进行线性拟合，其斜率为E1～E2；磨损刀具的3组振动信号随时间增加的能量比进行线性拟合，其斜率为E3～E4；若加工中振动能量比随时间变化曲线斜率在E1～E2内，则刀具未磨损，可继续加工；若加工中振动能量比随时间变化曲线斜率在E3～E4内，则刀具已磨损，需停止加工更换刀具；若加工中振动能量比随时间变化曲线斜率在其它范围内，则刀具正常磨损，需关注加工切削振动能量比信号变化，可继续加工。

8.根据权利要求2所述的用于高速精密拉削加工涡轮盘榫槽的加工方法，其特征在于，在所述步骤6)中，当压力传感器检测到三个方向的切削力呈现初步增加的趋势后，若出现了锯齿状的切削力随时间变化趋势，则为正常的受迫振动；否则为异常振动，立即停止加工。

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