高温高强材料整体叶轮高效加工刀具路径优化

摘要

航空发动机整体叶轮通常采用高温高强材料、扭曲长叶展叶片和狭窄流道结构，给整体叶轮的高效加工带来了很大挑战。首先，高温高强材料在高温下仍具有很高的屈服强度，属于典型的难加工材料；第二，叶轮流道狭窄、叶展较长、型面复杂等因素使得加工刀具悬伸量与直径的比率较大，刚性较弱。在现有加工工艺中，上述两个特点极易导致加工中刀具的颤振，为保护刀具、保证加工质量，加工中往往只能选用十分保守的切宽及切深，限制了加工效率的提高。
　　现有方法主要通过调整转速解决加工过程中刀具弱刚性带来的颤振问题，然而该方法对于高温高强材料加工刀路优化效果有限。首先，高温高强材料的可用切削线速度较低，而在稳定性叶瓣图中的低转速范围内，可行切深与临界切深差别不大，并且可行切深范围通常狭窄，因此仅仅通过调整转速很难满足稳定性的要求。其次，在五轴加工中，各刀位上刀具-工件相交区域发生变化，因此稳定性叶瓣图在各刀位上并不相同，也给该方法的应用带来一定的困难。
　　本文尝试通过优化刀具路径改善高温高强材料叶轮的加工效率。对于叶轮叶缘加工，本文通过改变球头刀刀轴方向来改善加工过程的稳定性。文献表明，刀轴方向的改变可以提高绝对稳定切深2~3倍，因此刀轴方向的改变可以在不增加刀路数量的情况下改善加工的稳定性。本文给出的五轴球头刀稳定性判别方法考虑了五轴加工中由于刀轴方向变化带来的频率响应函数坐标系与刀具-工件相交区域坐标系的不一致、相交区域沿刀具路径变化的问题，并通过刀轴方向的优化，改善了球头刀加工的稳定性。对于叶轮流道粗加工，本文将层铣加工工艺改为插铣工艺，让刀具刚性最好的轴向承受主要切削力，以提高加工效率，提出了插铣刀路的生成及优化方法，解决了现有插铣刀路生成方法在应用于高温高强材料加工时的两个问题：第一，现有插铣刀路生成方法中没有考虑切宽控制。文献及实验表明，在插铣加工中，切宽对于切削力的增加和插铣过程的稳定性有很大影响。在高温高强材料加工中，过大的切宽往往导致刀具的快速崩刃，甚至刀杆的断裂，为保护刀具只能选择十分保守的进给速度；第二，缺乏对插铣退刀过程的优化。在每个插铣循环中，由于插铣进刀过程中径向力的存在，导致退刀过程中侧刃与侧壁发生摩擦。尽管退刀过程不属于材料去除过程，却仍然需要采用较低的进给速度来避免刀具的快速磨损。
　　基于上述分析，本文以高温高强材料整体叶轮高效加工为目标，研究了稳定性约束下的球头刀刀轴方向优化方法及切削力约束下的插铣刀路优化方法。本文主要工作如下：
　　（1）提出稳定性约束下的球头刀刀轴方向优化方法。利用机床运动学模型及刀具路径建立了频率响应函数坐标系与刀具-工件相交区域坐标系之间的关系，并以此为基础建立了五轴球头刀加工中的频域稳定性判别方程，实现了各个刀位上不同刀轴方向下稳定性的判别。在考虑稳定性约束的同时，加入无干涉等约束生成可行解空间，实现了刀轴方向的光顺。实验表明，该方法能够有效改善五轴球头刀加工的稳定性。
　　（2）提出控制切宽及减少插铣循环数量的插铣刀具路径生成方法。切宽是影响插铣切削力与稳定性的重要因素，同时插铣加工时间主要受插铣循环数量影响。在现有CAM软件的插铣刀路生成算法中，通常采用改变名义切宽与侧向步距值以控制切宽，往往带来插铣循环数量的增加。本文基于中轴变换方法提出了一种同时控制插铣刀路及循环数量的方法。实验表明，相比现有商业CAM软件Cimatron中的插铣刀路生成方法，该方法可以在有效控制切宽的同时，降低插铣循环数量，改善加工效率及刀具寿命。
　　（3）提出面向五轴插铣底部切宽控制和无干涉退刀的优化方法。在各插铣刀路循环中，底部切宽骤增与退刀过程中侧刃的摩擦往往导致刀具的快速磨损，需要控制各循环中插铣深度并增加移刀过程。在五轴插铣加工中，刀轴方向的变化通常导致刀具-工件相交体的复杂性，增加了优化的难度。本文通过几何仿真提取刀具-工件相交体的关键几何信息，计算各插铣循环的实际切宽与可行移刀方向，实现了多轴插铣加工的底部切宽控制及快速退刀。实验表明，该方法相对商业CAM软件Cimatron中的插铣刀路生成方法，可以有效控制底部切宽并优化退刀过程，大幅提高了插铣加工的效率与刀具寿命。
　　（4）方法应用于航空发动机高温合金叶轮高效加工。在现有加工工艺中，材料的难加工性和刀具的弱刚性极大的限制了加工效率的提高，本文通过刀路优化的方法改进了现有加工工艺。在流道开粗工艺中，生成了控制切宽的插铣刀路并进行了快速退刀优化。在五轴插铣工艺中，对商用叶轮加工软件MAX生成的五轴插铣刀路进行了底部切宽控制及快速退刀优化。在叶缘加工工艺中，利用本文方法获得了满足稳定性的刀轴方向。叶轮加工完成后检验合格。实验表明，方法有效提高了高温合金叶轮的加工效率与刀具的使用寿命。

目录

声明

符号说明

第一章 绪论

1.1课题来源

1.2课题研究背景

1.3研究现状与评述

1.4问题提出

1.5本章小结

第二章 稳定性约束下的五轴球头刀加工刀轴方向优化

2.1引言

2.2五轴加工动力学分析坐标系

2.3五轴加工基于零阶近似的频域稳定性状态方程

2.4相交域变换及稳定性判别

2.5可行区域约束

2.6基于最短路径的刀轴光顺及刀路生成

2.7五轴颤振模型验证实验

2.8五轴加工刀轴优化实验

2.9本章小结

第三章 面向切宽控制与循环减少的插铣刀路生成方法

3.1引言

3.2刀路轨迹生成

3.3刀位点生成与连接

3.4算法验证实验

3.5本章小结

第四章 五轴插铣刀路底部切宽控制与快速退刀方法

4.1引言

4.2插铣过程几何识别与特征提取

4.3五轴插铣刀路优化

4.4五轴插铣加工优化实验

4.5本章小结

第五章 高温合金叶轮加工应用

5.1引言

5.2叶轮流道开粗插铣刀路规划及优化

5.3叶缘加工球头刀刀轴方向优化

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2论文创新点

6.3研究展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间申请的发明专利

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢