环形薄壁零件铣削过程动态响应预测与控制研究

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1、学校代码10699分类号TP391.7密级学号2011100432题目环形薄壁零件铣削过程动态响应预测与控制研究作者周续学科、专业航空宇航制造工程指导教师张定华教授申请学位日期2016年12月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：环形薄壁零件铣削过程动态响应预测与控制研究作者：周续学科专业：航空宇航制造工程指导教师：张定华教授2016年12月ResearchonDynamicResponsePredictionandControlintheMillingProcessofRing-shapedThin-walledPartsByXuZH

2、OUUndertheSupervisionofProfessorDinghuaZHANGADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofAeronauticalandAstronauticalManufacturingEngineeringXi’anP.R.ChinaDecember2016摘要摘要机匣是航空发动机中一类典型的关键、重要零件，具有环形、薄壁等结

3、构特征，其铣削过程中材料难切削、时变特性强等因素使得工件的加工效率降低、表面质量变差、精度难以保障，而准确预测并有效控制其非线性、强时变铣削过程中的动态响应是解决上述问题的关键。本文以航空发动机机匣为对象，深入研究了环形薄壁零件铣削过程中的时变动力学建模、柔性切削力建模、工艺系统动态响应预测与控制等问题。论文的主要研究内容和取得的主要创新性成果如下：1）在工艺系统时变动力学建模方面：通过分析航空发动机机匣的几何结构与加工工艺特点，提出了基于多态工序模型的加工过程划分方法；同时将复杂的工艺系统分解为刀具和工件两个子系统，并对两个子系统进行了空间

4、离散；对工件子系统进行了结构模态分析，分析了机匣侧壁易发生变形与振动的区域，并获得了工件子系统的初始模态参数；建立了基于结构动力修改的动力学特性演化快速、有效计算方法，并针对沿机匣周向切削行的材料切除方案，在单个切削行内和不同切削行间分析了工件几何结构演化对工件子系统动力学特性的影响；考虑工艺系统的弱刚性和时变性特点，分别建立了刀具子系统和工件子系统动力学模型，并根据两个子系统之间的力/位移作用关系进行耦合，得到了整个铣削工艺系统的动力学模型。2）在铣削过程柔性切削力预测方面：建立了环形刀的切削刃几何模型和切削力机械模型，并对现有的切削力系数

5、辨识方法进行了改进，得到了环形刀沿轴向高度的切削力系数表达式；提出了基于真实刀刃轨迹的未变形切屑厚度计算方法，通过与传统近似方法进行对比发现，当每齿进给量较大时，所提的精确计算方法比传统近似方法的计算精度高，可以保证切削力预测的准确性；分析了机匣多轴铣削的工艺特点，提出了一种计算刀具—工件啮合区域的切片方法，该方法适用于不同轴向切深、不同切削行宽、不同前倾角度下的啮合区域精确计算，并重点分析了前倾角度对啮合区域的影响；分析了切削力与弹性变形之间的耦合效应，建立了考虑弹性变形反馈的柔性切削力模型，并给出了相关的迭代算法；预测了机匣多轴铣削时的柔

6、性切削力，并通过与试验值进行对比，验证了所提切削力模型的正确性和有效性。3）在工艺系统动态响应预测方面：通过分析指出了刀齿断续地切入/切出工件表面是产生交变激振力的主要原因，并根据其两种不同的作用机理，将其分解为稳态激振力和动态激振力两部分并分别进行了表征；在机匣外型面上划分了典型的激励/响应位置，并分别采用三角形脉冲信号和半正弦周期信号进行激励，I西北工业大学博士学位论文通过分析两种激励信号产生的响应揭示了工件子系统动态特性与工件表面位置的关系；建立了环形刀端铣加工机匣的三维颤振稳定性模型，并将前倾角度引入到该模型中，从而把三维颤振稳定性模

7、型扩展至了多轴加工应用中；同时根据机匣的环形、薄壁结构特点，对该模型进行合理简化，建立了一维即工件表面法向的颤振稳定性模型，大大提高了模型的计算效率，并通过切削试验对模型进行了验证；建立了环形刀端铣加工机匣的强迫振动模型，计算了表面位置误差，并指出通过优化主轴转速可以控制强迫振动幅值的放大率。4）在工艺系统动态响应控制方面：通过将材料切除序列作为第三维度引入到稳定性叶瓣图中，得到了面向单行刀位轨迹的三维稳定性叶瓣图；同时通过将强迫振动幅值放大区引入到稳定性叶瓣图中，得到了动态响应控制图；给出了在动态响应控制图上进行切削参数优选的方法，可以获得

8、较大的稳定参数控制窗口；提出了薄壁环形零件的局部装夹增强方法，通过提供支撑杆和附加质量块可以显著改善机匣侧壁的局部动力学特性，进一步提高了工件的铣削过程稳定性；定义