大型轴类零件车铣加工稳定性研究与应用

摘要

大型轴类零件的典型代表起落架是飞机正常起降的核心部件和难加工航空装备的典型代表，其制造水平直接影响我国航空事业的发展速度。随着我国各型号先进战机的大量列装以及通用航空领域的蓬勃发展，起落架的加工效率成为一个迫切需要解决的问题。起落架是典型的难加工零件，具有结构尺寸大、材料硬度高的特点，由此带来材料去除率大、切削力大、加工工艺系统动态特性复杂以及加工过程中颤振的发生等问题，这些都使得加工参数保守，从而导致加工效率低。
　　起落架的车铣加工具有工况多样、加工工艺系统动态特性复杂多样等特性。为此，针对起落架车铣加工的切削参数优化，辨识和分析了车铣加工工艺系统的动态特性，提出了工作模态下刀具端频响函数辨识方法，研究了考虑变切深、变切厚的正交车铣动态切削力预测模型，建立了多阶模态和交叉频响的铣削稳定性模型以及考虑工件端动态特性的三维铣削稳定性模型。为了提高多阶模态和三维稳定性模型的求解效率，提出了改进的稳定性全离散求解算法。基于这些理论，探索了稳定性预测在起落架车铣加工参数优化上的综合应用。
　　对起落架车铣加工的主要特征进行了分析，对各特征的加工工艺系统动态特性进行了测试和分析，得到不同加工特征下的加工工艺系统综合动态特性，并归纳总结出共性关键技术问题。针对工作模态对加工工艺系统动态特性的影响，提出了基于 RCSA法的刀具端频响函数辨识模型。利用 RCSA法对机床主轴-刀柄-刀具结构进行子结构划分，建立了总体结构和子结构频域的力平衡方程，结合子结构和总体结构的约束条件，推导了仅需主轴头响应频响函数及有限元分析的工作模态下刀具端频响预测算法，实现了工作模态下的刀具端频响函数辨识。该方法避免了使用昂贵的非接触式设备及复杂的实验过程和数据处理。
　　针对起落架圆柱面的正交车铣加工，建立了考虑变切深变切厚以及偏心距的正交车铣切削力模型。基于正交车铣加工的运动几何特点，建立了未变形切屑形状与主轴转速，工件转速以及工件直径之间的关系。通过将刀具进行轴向离散，考虑主轴进给和工件旋转带来的加工轨迹偏移角，对每一切削刃微元在切削厚度和切削深度上的切入切出角都进行了计算，基于机械力模型建立切削刃微元的切削力，并通过轴向积分实现了正交车铣切削力精确预测。针对起落架材料300M钢，通过铣削实验验证了切削力模型的有效性。在切削力预测的基础上，进一步分析了工件-刀具直径比和偏心距对正交车铣切削力的影响规律。
　　针对加工工艺系统动态特性的多模态和交叉频响特性，建立了考虑多模态作用和交叉频响影响的时域稳定性预测模型。通过对频响函数进行机械导纳（动柔度）-机械阻抗（动刚度）的转换，实现了对频响函数矩阵的变换以满足时域动力学方程的要求。利用刀尖点模态归一化方法及模态空间变换将多阶模态和交叉频响带来的多振动变量进行减少，实现包含模态坐标的稳定性动力学矩阵方程的建立。通过预测稳定性加工边界，分析了多阶模态和交叉频响对稳定性极限的影响规律。
　　对于起落架侧翼上远离中轴线位置的铣削加工，在加工动力学方程中引入工件端的动态特性，建立了同时考虑刀具端和工件端动态特性的三维稳定性预测模型。分析了工件不同加工位置和不同加工阶段对工件端动态特性的影响规律，进而分析其对稳定性边界的影响。提出了改进的全离散法，对动力学微分时滞周期方程的状态项和时滞项同时进行了二阶插值以提高求解精度，并证明了状态项和时滞项的二阶插值比单一状态项的三阶插值精度高。同时，对刀齿切削周期内用于判断稳定性的状态转移矩阵进行了一次性的建立以提高计算效率。通过计算效率和计算精度的双重提高，在保证一定计算精度的前提下，显著提高了时域稳定性模型的求解效率。
　　面向起落架的车铣加工，开发了加工参数优选软件，集成了工作模态频响函数辨识、车铣加工切削力、多模态及交叉频响铣削稳定性、三维铣削稳定性及稳定性求解算法等理论研究，实现对起落架车铣加工的加工参数优选，并应用于起落架的圆柱面正交车铣、型腔环切和侧翼铣削工况的参数优化。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容及创新点

2 车铣加工工艺系统动态特性辨识与分析

2.1 引言

2.2 起落架车铣加工工艺系统介绍

2.3 车铣加工工艺系统综合动态特性辨识与分析

2.4 工作模态刀具端频响函数辨识方法

2.5 本章小结

3 车铣加工切削力建模与分析

3.1 引言

3.2 正交车铣切削力建模

3.3 车铣加工切削力系数标定及实验验证

3.4 本章小结

4 刀具端多阶模态及交叉频响稳定性建模与分析

4.1 引言

4.2 多阶模态系统的稳定性建模

4.3 颤振实验验证

4.4 交叉频响对稳定性极限的影响分析

4.5 本章小结

5 考虑工件端动态特性的三维稳定性建模与分析

5.1 引言

5.2 三维稳定性建模及实验验证

5.3 加工过程中的三维稳定性建模及分析

5.4 稳定性求解的改进全离散法

5.5 本章小结

6 起落架车铣加工参数优选软件开发及应用

6.1 引言

6.2 加工参数优选系统开发

6.3 加工参数优选在起落架模拟件车铣加工中的应用

6.4 某型号起落架型腔加工参数优选

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录2 攻读博士学位期间申报的发明专利