[发明专利]一种基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于叶轮叶片的加工方法，具体涉及一种考虑动态刚度的薄壁件铣削精加工方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

叶轮叶片是一种具有非常典型代表性的薄壁零件，广泛应用于航空航天、冶金、军工、石化、电力等多个领域，是风机、发动机、压缩机、水泵等机械的核心部件。叶片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。在叶轮叶片的制造中，由于叶片薄、叶展长等特点，通常使用大长径比的刀具，然而这会造成切削加工过程中工艺系统的弱刚性与输入的强激励之间的矛盾，导致发生振动和切削不稳定。因此研究叶片加工工艺系统的切削动力学模型、动态响应特性和稳定性条件就十分必要。切削振动可以分为受迫振动和自激振动(即颤振)，受迫振动一般源于工艺系统内外的干扰源，比较容易进行控制，而切削颤振则是金属切削加工过程中刀具和工件之间产生的一种比较强烈的自激振动现象，它是源于切削工艺系统(机床-刀具-工件)的固有共振特性。在动态切削力的激励下，切削颤振的产生和发展规律十分复杂，不容易进行控制。切削过程中一旦发生颤振现象将直接导致工件表面粗糙度恶化、加工精度降低、刀具磨损极速加快、环境噪音污染，严重时还可能出现刀具的非正常破损、断刀、机床主轴部件损坏、工件报废甚至发生重大安全事故。大量实践经验证明，切削颤振已经成为薄壁零件高速、高效加工的主要障碍之一，提高切削稳定性已经成为提高生产效率和改善加工质量的关键所在。

关于叶片精加工方法的国内外专利，主要集中在三维建模、数控编程、刀具设计和刀具路径规划以及特种加工等方面。申请专利号为200810038261.7的发明专利公开了一种整体叶轮加工方法，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；申请专利号为201010611522.7的发明专利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的方法，该方法的特点是采用五轴联动变轴插铣方式解决了自由曲面固定轴插铣后需用球头铣刀进行光整处理的难题；申请专利号为201010608270.2的发明专利公开了一种叶盘类零件薄壁叶片车削加工的方法，该方法在两叶片之间填充聚胺脂发泡剂，相当于给了叶片一个支撑，有效地提高了各叶片车削时的刚度，同时也改善了车削的不连续性，减轻了加工时的振颤及变形，从而使半开式叶轮，特别是宽深流道三元叶轮叶片外缘型面的加工精度得以提高。申请号为200510107555.7、200910248694.X、200610122014.6等的发明专利也都涉及到了叶片的精加工方法。上述专利存在的一个共同点是都没有涉及叶片加工过程中对于切削振颤进行抑制的重要性，并从叶片动态刚度和切削参数优化方向着手解决问题，只是强调了数控以及刀具的影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法，从考虑薄壁类零件动态刚度下的稳定性条件出发，优化切削参数，对叶轮叶片的加工振颤进行主动抑制。

本发明是通过以下技术方案来解决其技术问题的：

一种基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法，其特征在于：通过标准模态试验获得所述叶轮叶片的动态模态，然后引入颤振模型，得到稳定性判据，获取合理的加工参数。

本发明所述的基于叶轮叶片动态刚度的铣削精加工方法，其包括如下步骤：

步骤1：模态试验测定叶轮叶片的动态模态：采用标准力锤冲击试验，通过采集力锤的冲击激励信号以及加速度传感器的响应信号，针对叶轮叶片加工中不同阶段的壁厚，应用计算机拟合出该叶轮叶片不同厚度条件下的模态参数；

步骤2：建立叶轮叶片铣削稳定性模型：根据经典再生振颤模型，设定机床-刀具系统为刚性，得到临界轴向切削深度及其对应的主轴转速；

步骤3：叶轮叶片动态刚度稳定性研究：根据步骤1与步骤2所得的叶轮叶片铣削稳定性建模和叶轮叶片模态参数，完成叶轮叶片稳定性Lobe曲线图的计算和绘制；

步骤4：获得叶轮叶片动态刚度下的切削稳定性条件：结合叶轮叶片的高度即铣削轴向深度，分析不同厚度下叶轮叶片的稳定性Lobe曲线图，继而根据叶轮叶片动态刚度下的极限稳定性Lobe曲线图，优化切削参数，使得优化后的主轴转速落在稳定范围内；

步骤5：验证切削稳定性条件并采用最终优化后的切削参数进行加工：采用步骤4优化的切削参数获得切削振动信号，结合机床以及高切速带来的高温限制，对切削参数进一步优化，并且采用最终优化后的切削参数对所述叶轮叶片进行加工。