變厚度薄壁自由曲面零件五軸銑削振動控制研究

葉輪、葉片類復雜曲面薄壁構(gòu)件在運載、能源和國防等行業(yè)有著廣泛應用，主要制造方法是多軸數(shù)控加工。曲面薄壁構(gòu)件性能和產(chǎn)量的不斷提升，對加工精度和加工效率提出了越來越高的要求。因此，如何實現(xiàn)復雜曲面薄壁件高效高精加工是制造學科的重要研究主題。復雜薄壁件加工存在的技術(shù)瓶頸是加工效率低、加工質(zhì)量差，核心問題是精確模型缺乏、加工工藝規(guī)范不完善。導致上述問題的原因包括：1）工件剛度差、材料難加工、工件結(jié)構(gòu)復雜切削可達性差；2）通常需要多種類型的刀具和細長刀桿，同時需要多加工工序和保守的切削加工參數(shù)。工藝參數(shù)選取不當容易造成顫振或過大的強迫振動，產(chǎn)生振紋缺陷；因此該領(lǐng)域的研究重點是“薄壁件銑削動力學及加工工藝調(diào)控”，研究目標是獲得高質(zhì)量、高效率的加工工藝。該研究領(lǐng)域主要存在三個科學問題：1）薄壁件銑削系統(tǒng)動態(tài)特性的識別；2）薄壁件銑削加工工藝調(diào)控；3）薄壁件銑削振動響應預測。針對上述問題，開展了系統(tǒng)的研究，取得了如下創(chuàng)新成果：1）建立了薄壁件銑削系統(tǒng)時空頻變特性識別理論，揭示了薄壁件銑削動態(tài)特性的時空頻變特性，探明了其頻變規(guī)律，促進了弱剛性工藝系統(tǒng)時空頻變動態(tài)特性識別技術(shù)的躍升；2）建立了切削穩(wěn)定性預測及工藝優(yōu)化理論，解決了加工效率低、型面精度低、表面質(zhì)量差等一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，推動了弱剛性工藝系統(tǒng)高效高精度加工技術(shù)的發(fā)展；3）提出的移動載荷作用振動響應預測新方法，解決了薄壁件受移動切削力作用時振動響應預測難題。研究成果應用于航空發(fā)動機葉輪葉片等薄壁件的高性能加工中，解決了加工效率低、型面精度低、表面質(zhì)量差、加工變形嚴重等一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，實現(xiàn)了葉片薄壁零件的高效精密加工，為復雜曲面薄壁零件的多軸加工工藝優(yōu)化提供了科學依據(jù)和技術(shù)支撐。上述成果得到了切削加工領(lǐng)域國際國內(nèi)諸多同行的認可和驗證。已發(fā)表SCI論文17篇，授權(quán)發(fā)明專利5項（其中PCT國際專利1項），軟件著作權(quán)1項。 2100433B

變厚度薄壁自由曲面零件廣泛應用于航空航天、船舶、能源等領(lǐng)域，由于其弱剛性特點，銑削過程極易發(fā)生振動使其加工效率低、型面精度低、表面質(zhì)量差、加工變形嚴重。以發(fā)動機整體葉輪、葉片五軸銑削為例，針對變厚度薄壁自由曲面零件多軸銑削動力學問題，探索薄壁零件五軸銑削過程中刀具-工件的接觸規(guī)律，提出考慮材料切除過程和刀具-工件系統(tǒng)模態(tài)耦合影響的識別時變系統(tǒng)動態(tài)特性的變質(zhì)量結(jié)構(gòu)動力學修改方法，建立基于時變模型的五軸銑削系統(tǒng)動力學模型；提出薄壁件五軸銑削時空全離散穩(wěn)定性預測方法，闡明其失穩(wěn)機制，揭示工藝參數(shù)對銑削系統(tǒng)失穩(wěn)的影響規(guī)律；提出“整體被動控制”和“局部主動控制”相結(jié)合的振動組合控制方法，抑制此類弱剛性工藝系統(tǒng)的切削振動，提高切削效率和加工精度，為實現(xiàn)變厚度薄壁自由曲面零件的高效、高精度多軸加工提供技術(shù)指導。

自由曲面是工程中最復雜而又經(jīng)常遇到的曲面，在航空、造船、汽車、家電、機械制造等部門中許多零件外形，如飛機機翼或汽車外形曲面，以及模具工件表面等均為自由曲面。工業(yè)產(chǎn)品的形狀大致上可分為兩類或由這兩類組成:一類是僅由初等解析曲面例如平面、圓柱面、圓錐面、球面等組成。大多數(shù)機械零件屬于這一類?？梢杂卯嫹◣缀闻c機械制圖完全清楚表達和傳遞所包含的全部形狀信息。另一類是不能由初等解析曲面組成，而由復雜方式自由變化的曲線曲面即所謂的自由曲線曲面組成。例如飛機，汽車，船舶的外形零件。自由型曲線曲面因不能由畫法幾何與機械制圖表達清楚，成為擺在工程師面前首要解決的問題。

自由曲面加工包括曲面造型、曲面光順、軌跡規(guī)劃和數(shù)控編程等。其中NC軌跡的生成是自由曲面加工的關(guān)鍵，而對于形狀復雜的自由曲面零件，如何解決NC軌跡生成過程中的干涉處理又是其中的關(guān)鍵。過程大致總結(jié)如下:首先在被加工曲面上規(guī)劃刀具路徑，確定合理的走刀步距，在給定的步距點上檢查干涉情況，消除干涉確定該步距點上所要求的刀位點。沿著刀具路徑，計算出每一步距上刀位點，它們的有序集合就在被加工曲面上形成了一條數(shù)控刀具軌跡。 2100433B

主要用于汽車拉伸模型、注模、輪機葉片、艦船螺旋槳及各種玩具成型塑料模等，隨著自由曲面應用的日益廣泛，對自由曲面的設(shè)計、加工越來越受到人們的關(guān)注己成為當前數(shù)控技術(shù)和CAD/CAM的主要應用和研究對象。