航空发动机叶片的高速车铣加工三维颤振稳定性及表面完整性研究

高速车铣加工是通过铣刀和工件同时旋转的合成运动来实现复杂曲面或回转体零件的先进加工方法，在航空难加工材料的复杂零件方面具有代替磨削的应用前景。目前国内外对航空发动机叶片的高速车铣加工机理研究尚处于起步阶段。本项目基于申请者对高速车铣加工机理的研究成果，融合车铣切屑形成理论和加工动力学理论，采用理论建模、仿真分析和加工实验的综合方法对高速车铣加工航空发动机叶片的去除机理、颤振稳定性和表面完整性展开研究。本研究揭示高速车铣工艺参数对切削力、切削热、三维颤振及加工表面质量的影响规律；分析切削参数与偏心位置的合理匹配，建立工艺参数的优化选择和评价方法；实现加工颤振稳定性和表面完整性的准确预测；探求并形成航空发动机叶片的高速车铣加工新的技术理论。本项目的研究将推进我国航空发动机叶片的高速车铣加工技术的快速发展，缩小与国外差距，打破关键技术垄断，为高速车铣加工发动机叶片的新工艺和机床开发提供理论指导。

本项目采用理论建模、仿真分析和加工实验的综合方法对高速车铣加工叶片的材料去除机理、颤振稳定性和表面质量展开研究。本研究揭示高速车铣工艺参数对切削力、三维颤振稳定性及加工表面质量的影响规律；基于加工系统产生的振动耦合特性，提出由“铣刀”子系统和“叶片”子系统之间的相对动态特性决定的加工动力学模型；完成工艺参数的优化选择并实现加工颤振稳定性和表面粗糙度的预测；探求并形成叶片的高速车铣加工的新技术理论。本项目的研究将推进我国航空发动机叶片的高速车铣加工技术的快速发展，缩小与国外差距，打破关键技术垄断，为高速车铣加工发动机叶片的新工艺和机床开发提供理论指导。.综上所述，本项目主要完成的研究内容和成果如下：.1)“刀具-叶片"加工系统动力学理论建模及仿真分析 .由于钛合金叶片属于难加工材料的薄壁件，在切削力的作用下产生弹性变形，因此建立考虑刀具柔性与薄壁件柔性的车铣加工动力学模型，即相对传递函数模型和准确切削力模型。针对薄壁零件车铣加工过程中小刚度、动态变化的频响特点和高阶动态特性，考虑“球头铣刀-叶片”之间相互作用而产生加工系统的振动耦合问题，建立刀具子系统和叶片子系统相对的动态特性决定的加工动力学模型。基于动力学模型和系统模态参数基础上，将刀具传递函数和工件传递函数分别仿真分析，并确定其相对传递函数。.2)高速车铣加工过程的关键技术理论建模与仿真分析 .研究不同偏心位置条件下的切削力、三维颤振稳定性、加工表面形貌的理论预测模型；在不同切削参数条件下以无偏心切屑和偏心切屑的数学模型为基础，以圆周刃和端面刃的切削力模型作为指导，以三维颤振稳定性理论模型为约束，以加工质量预测模型为目标，分析高速车铣加工叶片的表面质量。基于高速车铣切削动力学模型仿真出三维颤振稳定域叶瓣图，通过切削实验验证并修正颤振稳定域的理论模型。 .3) 高速车铣工艺参数的合理选择及对加工过程影响规律分析 .分析刀具几何形状与钛合金叶片的合理匹配；以加工无颤振稳定域为约束条件，以叶片的加工表面质量、最大材料去除率等为多目标函数并合理优化切削参数；揭示车铣工艺参数对切削力、颤振稳定性、表面粗糙度之间相互影响规律。