钛合金叶片高稳定多轴铣削的抑振理论与方法研究

The technique level of milling process of titanium blades has great effect on the overall performance, mobility and carrying capacity of aircraft engines. Based on national defense requirement, this project aims at studying the avoidance and control methods of the milling chatters appearing in the milling process of titanium blades. The main research points will be listed as follows..(1).Unified model for predicting the process damping ration will be established by combining the theories of cutting mechanism, geometry and kinematics..(2).Procedures will be developed to investigate the relationship between the instantaneous modes of the workpieces and the factors such as material removal, feed, axial contact status and the clamping forces by using the cutting mechanics, finite element approach, and the structure revision method..(3). Algorithms for predicting stability lobes will be developed by comprehensively considering the combined influences of process damping, material removal and the fixing effects. .(4).Strategies for improving the stability limit will be conducted by using multicriteria optimization algorithm..(5).Strategies for controlling the machine mode-induced mode will be developed by combining the feedforward and feedback approaches. .(6). A prototype of active damping system will be developed to suppress the machine mode-induced chatter based on displacement sensors, actuators and the proposed control strategies. .The above studies will be the basic theories for carrying out stable multi-axis milling of titanium engine blades.

钛合金叶片铣削技术水平直接影响着飞机发动机的综合性能、机动性和运载能力。本项目以国防需求为背景，研究钛合金叶片多轴铣削过程的颤振控制方法。.具体研究内容有：根据切削原理、几何学以及运动学理论，建立基于铣削实验的过程阻尼辨识方法并实现过程阻尼的统一建模；基于切削动力学、有限元方法以及结构动力修改原理，深入研究工件瞬时模态与材料去除、刀具进给运动、刀具接触状态、以及夹持力大小的关联机理，并建立预测模型；基于切削动力学原理，建立考虑过程阻尼-材料去除影响-夹持效应等多因素耦合的稳定性极限预测模型，采用多目标优化方法，研究铣削稳定性极限的提升方法；借助实验模态法、前馈与反馈控制基本原理，研究机床结构模态相关颤振的主动控制方法，并设计开发基于位移传感器、致动器的主动阻尼原型系统，实现机床结构模态相关颤振的主动控制。.通过以上研究，为发展钛合金叶片多轴高稳定铣削技术奠定理论基础。

以建立适用于钛合金叶片等多轴铣削颤振的抑振理论为目标，借助于实验研究、理论推导以及数值仿真等方法，围绕工件高稳定切削所涉及的基础理论问题进行了研究。重要研究成果有：.1) 通过对难加工材料铣削过程阻尼机理研究，建立了适用于刚性工件铣削的犁切阻尼模型和薄壁工件铣削的切削速度方向变化阻尼模型，及铣削系统刚度变化的过程阻尼统一模型。.2) 以航空航天广泛应用的钛合金叶片开展实验验证，模型预测结果与实验结果有很好的一致性，证明了所提铣削稳定性预测模型的有效性。.3) 针对薄壁件铣削颤振问题，提出了附加质量的方法来提高薄壁件加工过程稳定性。实现了加工过程稳定性提高与快速预测，为工艺参数的快速选取提供了理论依据。.4) 针对薄壁件铣削加工中的颤振现象，提出了一种施加预应力的颤振抑制理论，同时发明了预应力施加与调控装置。通过实验证明该方法实现了颤振稳定性的预测与调控。.5) 针对薄板类零件在切边中出现的振动问题，提出了一种附加配重的被动抑振方法，该方法是通过优化最大位移响应来控制加工振动。理论仿真与实验验证均证明了该方法的有效性。.6) 针对薄壁构件铣削颤振问题，设计了一种可调频阻尼器，通过实验验证了阻尼器的有效性。该方法成功抑制了加工中的颤振，实现了薄壁件的稳定加工。.7) 通过对斜角切削过程空间结构的分析研究，建立了三维斜角切削加载应力场模型与三维铣削瞬时温度场模型，实现了对三维铣削表面残余应力的解析预测。.8) 针对现有反向滤波法无法很好解决切削力频率点和传递函数频率点不一一对应的问题，提出了基于三次样条插值的改进反向滤波法，其效率更高，可靠性更好。.9) 从金属切削原理和工艺力学角度提出了考虑同步误差引起犁切效应的切削力计算方法，构建了动态攻丝力模型；开展了攻丝过程颤振稳定性研究及实验验证。.10) 针对奇异问题规避方法会产生较大精度损失以及G01连续插补方法违反运动学约束的不足，建立了最小化误差的奇异轨迹优化方法以及在运动学约束范围内的G01轨迹连续插补方法。

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