[發明專利]一種基于葉輪葉片動態剛度的銑削精加工方法

有效

• 申請號: 201210037510.7
• 申請日: 2012-02-17
• 公開（公告）號: CN102554326A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 陳明;董大鵬;李軍利;牛秋林;安慶龍
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B23C3/00
• 分類號: B23C3/00;G06F17/50
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 祖志翔

技術領域

本發明涉及一種用于葉輪葉片的加工方法，具體涉及一種考慮動態剛度的薄壁件銑削精加工方法，屬于機械加工技術領域。

背景技術

葉輪葉片是一種具有非常典型代表性的薄壁零件，廣泛應用于航空航天、冶金、軍工、石化、電力等多個領域，是風機、發動機、壓縮機、水泵等機械的核心部件。葉片加工質量的好壞和加工精度是否滿足要求直接決定著整臺設備性能的優劣。在葉輪葉片的制造中，由于葉片薄、葉展長等特點，通常使用大長徑比的刀具，然而這會造成切削加工過程中工藝系統的弱剛性與輸入的強激勵之間的矛盾，導致發生振動和切削不穩定。因此研究葉片加工工藝系統的切削動力學模型、動態響應特性和穩定性條件就十分必要。切削振動可以分為受迫振動和自激振動(即顫振)，受迫振動一般源于工藝系統內外的干擾源，比較容易進行控制，而切削顫振則是金屬切削加工過程中刀具和工件之間產生的一種比較強烈的自激振動現象，它是源于切削工藝系統(機床-刀具-工件)的固有共振特性。在動態切削力的激勵下，切削顫振的產生和發展規律十分復雜，不容易進行控制。切削過程中一旦發生顫振現象將直接導致工件表面粗糙度惡化、加工精度降低、刀具磨損極速加快、環境噪音污染，嚴重時還可能出現刀具的非正常破損、斷刀、機床主軸部件損壞、工件報廢甚至發生重大安全事故。大量實踐經驗證明，切削顫振已經成為薄壁零件高速、高效加工的主要障礙之一，提高切削穩定性已經成為提高生產效率和改善加工質量的關鍵所在。

關于葉片精加工方法的國內外專利，主要集中在三維建模、數控編程、刀具設計和刀具路徑規劃以及特種加工等方面。申請專利號為200810038261.7的發明專利公開了一種整體葉輪加工方法，通過五軸數控機床對整體葉輪進行加工，其特點在于能夠保證葉片表面的加工軌跡滿足幾何準確性的要求，并且保證加工的質量，加工效率高，質量穩定；申請專利號為201010611522.7的發明專利公開了一種整體葉輪葉片部分五軸聯動變軸插銑數控加工的方法，該方法的特點是采用五軸聯動變軸插銑方式解決了自由曲面固定軸插銑后需用球頭銑刀進行光整處理的難題；申請專利號為201010608270.2的發明專利公開了一種葉盤類零件薄壁葉片車削加工的方法，該方法在兩葉片之間填充聚胺脂發泡劑，相當于給了葉片一個支撐，有效地提高了各葉片車削時的剛度，同時也改善了車削的不連續性，減輕了加工時的振顫及變形，從而使半開式葉輪，特別是寬深流道三元葉輪葉片外緣型面的加工精度得以提高。申請號為200510107555.7、200910248694.X、200610122014.6等的發明專利也都涉及到了葉片的精加工方法。上述專利存在的一個共同點是都沒有涉及葉片加工過程中對于切削振顫進行抑制的重要性，并從葉片動態剛度和切削參數優化方向著手解決問題，只是強調了數控以及刀具的影響。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種基于葉輪葉片動態剛度的銑削精加工方法，從考慮薄壁類零件動態剛度下的穩定性條件出發，優化切削參數，對葉輪葉片的加工振顫進行主動抑制。

本發明是通過以下技術方案來解決其技術問題的：

一種基于葉輪葉片動態剛度的銑削精加工方法，其特征在于：通過標準模態試驗獲得所述葉輪葉片的動態模態，然后引入顫振模型，得到穩定性判據，獲取合理的加工參數。

本發明所述的基于葉輪葉片動態剛度的銑削精加工方法，其包括如下步驟：

步驟1：模態試驗測定葉輪葉片的動態模態：采用標準力錘沖擊試驗，通過采集力錘的沖擊激勵信號以及加速度傳感器的響應信號，針對葉輪葉片加工中不同階段的壁厚，應用計算機擬合出該葉輪葉片不同厚度條件下的模態參數；

步驟2：建立葉輪葉片銑削穩定性模型：根據經典再生振顫模型，設定機床-刀具系統為剛性，得到臨界軸向切削深度及其對應的主軸轉速；

步驟3：葉輪葉片動態剛度穩定性研究：根據步驟1與步驟2所得的葉輪葉片銑削穩定性建模和葉輪葉片模態參數，完成葉輪葉片穩定性Lobe曲線圖的計算和繪制；

步驟4：獲得葉輪葉片動態剛度下的切削穩定性條件：結合葉輪葉片的高度即銑削軸向深度，分析不同厚度下葉輪葉片的穩定性Lobe曲線圖，繼而根據葉輪葉片動態剛度下的極限穩定性Lobe曲線圖，優化切削參數，使得優化后的主軸轉速落在穩定范圍內；

步驟5：驗證切削穩定性條件并采用最終優化后的切削參數進行加工：采用步驟4優化的切削參數獲得切削振動信號，結合機床以及高切速帶來的高溫限制，對切削參數進一步優化，并且采用最終優化后的切削參數對所述葉輪葉片進行加工。