基于过程阻尼效应的车铣加工钛合金叶轮的颤振稳定性研究

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在航空发动机中,叶轮的重要性毋庸置疑,其尺寸精度与表面质量决定了发动机的工作性能和使用寿命。在叶轮的制造材料中,钛合金以其高强度、质量轻等优点而被广泛使用。钛合金在加工过程中比较困难,其较差的切削性导致其在加工过程中极易发生颤振现象,无法保证良好的表面质量。因此,对于叶轮在车铣加工过程中的颤振稳定性问题的研究是非常有必要的,这也是目前机械工程领域上较难的课题之一。本文针对钛合金叶轮在加工过程中的颤振稳定性问题,分别对多轴车铣加工中的切削力、过程阻尼以及叶轮加工过程中的颤振稳定性进行建模,重点是在颤振稳定性预测模型中考虑过程阻尼的影响。随着刀具磨损的增加,过程阻尼效应是在切削加工过程中更加容易出现,由于其模型复杂,在大多数颤振稳定性研究中往往被忽略。但是,在加工过程中,随着刀具磨损量的增大,过程阻尼效应愈加明显,其对颤振稳定性的影响也不可忽视。因此,本文着重在稳定性模型中考虑到过程阻尼因素,使稳定性预测模型更加准确。本文的具体研究内容如下:(1)针对球头铣刀多轴车铣加工过程中的切削力进行建模,考虑了刀具倾斜角的影响,利用仿真软件对切削力进行仿真。并将在加工中心实验测得的切削力与仿真切削力进行对比分析,验证了切削力模型的准确性。(2)建立过程阻尼模型。过程阻尼力与压痕面积有着直接的关系,通过计算压痕面积得到过程阻尼力的计算方法。通过能量等价的方法将非线性的过程阻尼力等价为线性的过程阻尼力,并识别出过程阻尼系数,最后分析切削参数对过程阻尼系数的影响。(3)针对车铣加工钛合金叶轮过程中的再生型颤振建立模型,并考虑过程阻尼效应对稳定性模型的影响。利用多频率法对所得到的刀具-叶轮加工系统的动力学方程进行求解,得到颤振稳定性预测模型。根据通过模态实验得到的模态参数仿真出叶瓣图。通过在叶轮加工实验过程中采取不同的参数来验证模型的准确性。(4)对完成加工的叶轮表面质量进行检测,研究不同的加工参数对表面质量的影响。利用Matlab中的GUI模块将颤振稳定性模型设计为用户界面,通过输入参数就可以得到预测的叶瓣图,使本文所建立的模型更方便地应用于实际。
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