材料切除对机匣铣削动力学与稳定性的影响

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252016V01．37No．41352—1362tSSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．Ci3hkxb@buaa．educn材料切除对机匣铣削动力学与稳定性的影响周续，张定华*，吴宝海，罗明西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安710072摘要：在薄壁零件加工过程中，工件材料的连续切除会造成工艺系统动力学特性的不断变化，并对工艺系统的颤振稳定性产

2、生显著影响。以航空发动机机匣为对象，研究了其铣削过程中工件材料切除以及切削位置变化对工件动力学特性与颤振稳定性的影响规律。首先，根据机匣的几何结构与铣削工艺特点，提出了按切削行及切削段进行材料切除过程细分的方法。其次，建立了工艺系统动力学特性演化的快速计算方法和颤振稳定性极限的频域预测方法，并在单个切削行内和不同切削行间分析了材料切除过程对工艺系统的影响。结果显示，在单个切削行内工艺系统的动力学特性会小幅度减小，稳定性极限图会向左下方小幅度偏移；在不同切削行间工艺系统的动力学特性变化幅度较大，稳定性

3、极限图呈现出交错排列现象，难以针对整个铣削过程进行切削参数优选，因此提出了基于单行刀位轨迹的切削参数优选方法，保证了整个材料切除过程的稳定切削。最后，进行了机匣铣削与模态试验，验证了所提方法的正确性与有效性。关键词：材料切除；机匣；铣削；动力学特性；颤振稳定性中图分类号：V261．2；TP391．7文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)04—1352—11薄壁零件具有质量轻、效率高、结构紧凑等显著优点，已经在新型战机、大型飞机等航空装备中得到了广泛应用，如航空发动机叶片、机匣等。这些

4、零件是保障飞机服役性能和飞行安全的关键零件，其制造技术是衡量一个国家制造能力的重要标志。然而，薄壁零件在提升产品性能的同时也带来了新的制造难题。薄壁零件的加工精度和表面质量要求高，同时几何结构复杂、材料难切削、工艺刚性差，从而导致加工过程中更容易产生加工变形与振动。其中，由切削厚度变化效应引起的颤振具有不可忽略的破坏性。颤振不仅会降低加工精度、破坏表面质量、限制加工效率，还会对机床和刀具的使用寿命以及工艺操作员的人身健康造成损害，严重时甚至造成加工过程无法进行。颤振已经成为制约薄壁零件高效精密加工技

5、术发展的关键因素之一[1。⋯。为了避免颤振，薄壁零件加工过程必须处于稳定状态。目前，颤振稳定性预测方法主要有数值(时域)法[1‘3]、解析(频域)法[4_6]两种。其中，数值法是将周期变化的动态响应在时间轴上进行离散，构造出单个周期上的状态转移矩阵，进而根据Floquet理论判断工艺系统的稳定性。该方法包含半离散法[1。2]和全离散法[3]，计算精度高，适用于不同径向切深的工况，但计算非常耗时。解析法则将周期变化的切削力进行傅里叶展开与近似，获得动态响应与切削力之间的传递函数，而后根据传递函数特征值

6、的分布情况判定工艺系统的稳定性。该方法又可细分为单频法[4{]和多频法[6]，单频法计算效率极高，但不能预测小径向切深情况下的倍周期分岔现象，多频法解决了这个收稿El期：2015．12-15；退修日期：2016-01-07；录用日期：2016—01-19；网络出版时间：2016—01-3112：57网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／delajl／11．1929．V20160131．1257002．html基金项目：国家“973”计划(2013CB035802)；国家自然科学基金(51

7、475382)*通讯作者，Tel．：029—88493009E-mail：dhzhang@nwpuedu．cn飘焉格武l餍续．张定华．吴宝海．等材料切除对枧匣铣翻动力学与稳定性的影响￡JI．航空学报，2016．37(4)：1352-1362．ZHOUX。ZHANGDH．WU8H．eta1．Dynamicsandstabilityanalysisinendmillingofaero-enginecasingsconsideringmaterialremovaleffec《J]．ActaAeronaut

8、icaetAstronauticaSlnica，2016，37(4)：1352-{362．周续，等：材料切除对机匣铣削动力学与稳定性的影响问题，但在计算时间上的优势不再显著。零件切削成形的实质是多余材料的切除过程。在薄壁零件加工过程中，随着工件材料的不断切除，工艺系统的动力学特性会发生较大变化，并对其颤振稳定性产生显著影响[7-18]。目前，通常采用有限元方法分析工件材料的连续切除效应[7。10

9、。该方法适用于各种复杂结构零件的加工过程分析，但对复杂边界条件无法进行精