葉輪用錐球頭減振銑刀設計與應用驗證

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序言葉輪是航空發(fā)動機的關鍵零件之一，其加工表面完整性對航空發(fā)動機服役性能與可靠性有著重要影響。航空發(fā)動機葉輪多使用高溫合金、鈦合金等難加工材料，葉片厚度較薄且葉型復雜，相鄰葉片加工空間狹小，使得刀具可達性較差，導致加工過程中易出現(xiàn)顫振現(xiàn)象，進而影響到葉輪的加工精度和表面質(zhì)量。為了避免加工過程中產(chǎn)生顫振，一個有效的方法是提高被加工零件的剛度。例如邵莉、王波用錫鉍合金在壓氣機葉片葉尖部位澆鑄頭套工裝來提高零件的剛度，進而抑制零件加工過程中的顫振。另外一個較為有效的方式，就是通過設計主動減振刀具的方式來抑制切削加工振動，例如楊毅青等人設計了基于壓電效應的切削振動能量收集及減振車刀來抑制車削振動。此外，也有學者通過仿真分析結(jié)合試驗辨識的方式來獲得切削加工顫振穩(wěn)定域，進而實現(xiàn)加工顫振抑制。被動減振刀具的結(jié)構(gòu)相對簡單，相對于主動減振刀具應用更為成熟且成本較低，針對狹小空間加工更有優(yōu)勢。本文針對航空發(fā)動機葉輪的加工提出一種綜合零件模態(tài)仿真與刀具切削物理仿真的減振刀具設計方法，以實現(xiàn)加工顫振低成本的有效抑制。最后采用等效零件來驗證切削加工減振效果，為葉輪減振刀具的低成本開發(fā)提供一種新的思路。2

葉輪用錐球頭減振銑刀設計2.1

葉輪模態(tài)分析整個工藝系統(tǒng)中剛度最弱的部分就是被加工對象——某航空發(fā)動機葉輪零件（材料為高溫合金GH4169）。根據(jù)其實際裝夾方式進行模態(tài)仿真，得到其一階固有頻率為2472Hz，二階固有頻率為7596Hz。根據(jù)葉輪銑刀切削最高線速度（60m/min）、刀具齒數(shù)（4齒）及刀具工件接觸區(qū)域可知，刀具給葉輪的激勵頻率無法達到其二階共振頻率及其他高階頻率。因此刀具設計中只需考慮葉輪的一階振型，如圖1所示，葉輪在其一階固有頻率激勵同頻激勵下受迫振動合成振幅高達1.708mm。圖1

葉輪一階振型2.2銑刀幾何參數(shù)設計所設計的銑刀主要用于葉輪的精加工，因此綜合考慮刀具可達性、剛度最大化和足夠的容屑空間，采用錐球頭刀具結(jié)構(gòu)，對刀具外形參數(shù)進行設計。錐球頭銑刀部分幾何尺寸見表1。表1

錐球頭銑刀部分幾何尺寸以葉輪精加工時的切削參數(shù)進行物理仿真，具體各項切削參數(shù)見表2。表2葉輪精加工切削參數(shù)通過有限元分析軟件進行銑削二維物理仿真，對刀具的前后角進行設計，前角可行范圍設置為5°～15°，后角可行范圍設置為10.5°～16°。將各組前、后角輸入軟件中分別進行仿真后，主要以最大刀具應力衡量刀具的切削性能，結(jié)合最大切向力、最大徑向力和最高切削溫度綜合考察刀具性能，以切削刃區(qū)域應力最小作為設計目標，最終的前后角優(yōu)化結(jié)果為法前角7°、法后角10.5°，且此組合對應的最大切削力、最高切削溫度值在合理范圍內(nèi)。2.3變齒距變螺旋角銑刀設計將優(yōu)化所得的法前角7°、法后角10.5°作為減振銑刀已知參數(shù)，建立不等齒距等螺旋角銑刀1、不等齒距對稱螺旋角銑刀2、不等齒距不等螺旋角銑刀3與等齒距等螺旋角銑刀4的三維模型。將4把銑刀的三維模型分別導入有限元軟件進行三維銑削物理仿真，其余各項參數(shù)均相同，仿真時采用的銑削方式為側(cè)銑，仿真界面如圖2所示。圖2

三維模型銑削物理仿真仿真結(jié)束后獲得了4把銑刀對應的3向銑削力數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換得到銑削力幅值譜，由于高頻銑削力的幅值很小，這里忽略不計，僅考察低頻的銑削力幅值。在葉輪加工中，側(cè)銑葉片時最容易發(fā)生振動，此時的主要作用力為徑向力Fy，因此主要目的是將Fy的能量分散，使各頻率處具有較小的幅值。采用加權(quán)的方式建立目標函數(shù)：最終獲得的三維仿真銑削力幅值譜標準差見表3。相比于等齒距等螺旋角的標準銑刀4，銑刀1～3均具有能量更分散的銑削力幅值譜，都能達到減振加工的效果，而這其中不等齒距對稱螺旋角銑刀2具有最好的減振效果。通過該方式設計的減振銑刀不僅能夠?qū)崿F(xiàn)葉輪的減振加工，而且具有較好的通用性。表3

三維仿真銑削力幅值譜標準差（單位：N）考慮到仿真與實際情況存在差異，因此將銑刀1～3均制備出來（見圖3），每種刀具2把，進行銑削試驗，進一步驗證各減振銑刀的減振效果。銑刀1為不等齒距等螺旋角銑刀，銑刀2為不等齒距對稱螺旋角銑刀，銑刀3為不等齒距不等螺旋角銑刀。圖3

減振銑刀1～3實物3

減振銑刀應用驗證與效果評價3.1等效薄板設計若在刀具開發(fā)初期就用葉輪進行切削試驗進行驗證，成本將會十分高昂。因此本文提出特征等效方法：設計一個一階模態(tài)與葉輪相近的等效薄板，該等效薄板和葉輪在受到相同的外界激勵時產(chǎn)生的振動相似，因此通過等效薄板的切削試驗可以在較大程度上說明減振銑刀應用于葉輪葉片銑削時產(chǎn)生的減振效果。通過不斷地修改等效薄板的幾何尺寸與約束后，最終確定的薄板的一階振型如圖4所示，其一階共振頻率為2477Hz，與葉輪的一階共振頻率基本一致，一階振型的合成振幅最大值大于葉輪，為2.07mm，但在等效薄板某一高度處存在與葉輪相同的合成振幅，因此該等效薄板滿足設計要求。圖4等效薄板的一階振型3.2刀具減振效果評價考慮到葉輪最易發(fā)生振動的結(jié)構(gòu)為葉片，而葉片多采用側(cè)銑的方式，因此試驗時采用側(cè)銑來驗證刀具的減振效果。試驗時采用加速度傳感器獲取等效薄板的振動加速度，加速度傳感器安裝的位置位于薄板大面的垂直中心線處，高度取薄板振幅與葉輪最大振幅相同處，如圖5所示。圖5試驗現(xiàn)場用振動加速度的標準差表征振動大小，數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表4。結(jié)果顯示，薄板的振動主要發(fā)生在機床的Y向和Z向，符合薄板模態(tài)仿真獲得的振型。對比3把銑刀加工時薄板的Y向、Z向加速度標準差，發(fā)現(xiàn)銑刀2的減振效果最好，銑刀1的減振效果最差。表4振動加速度標準差結(jié)果將3把銑刀加工時薄板的Y向、Z向加速度數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換可以得到加速度分量的幅值頻譜，結(jié)果如圖6～圖8所示。分析發(fā)現(xiàn)，6個加速度數(shù)據(jù)在930Hz處均具有最高的幅值，但銑刀2與銑刀3對應的加速度數(shù)據(jù)在930Hz處的幅值遠小于銑刀1，同時出現(xiàn)了在700Hz處的次高峰值。這表明了銑刀2與銑刀3相對于銑刀1來說，能夠使振動向遠離薄板一階共振頻率的方向分散，從而實現(xiàn)更好的減振效果。

a）Y向

b）Z向

圖6銑刀1加工時薄板的加速度幅值頻譜

a）Y向

b）Z向

圖7銑刀2加工時薄板的加速度幅值頻譜

a）Y向

b）Z向

圖8

銑刀3加工時薄板的加速度幅值頻譜因此，銑刀2在減振原理與振動大小的控制上均具有最好的效果，銑刀3次之，而銑刀1的效果最差。使用顯微鏡觀察薄板加工完成后的表面，圖9所示為薄板順銑加工表面?？梢园l(fā)現(xiàn)銑刀2加工的表面質(zhì)量最好，且刀痕清晰可見，其次為銑刀3加工的表面，表面質(zhì)量最差的由銑刀1加工完成，加工表面刀痕隱約可見。

a）銑刀1加工

b）銑刀2加工

c）銑刀3加工

圖9

薄板順銑加工表面薄板順銑加工表面的表面粗糙度值見表5，銑刀2加工表面的表面粗糙度值最小，銑刀1加工表面的表面粗糙度值最大，與用顯微鏡觀察所得情況一致。從表面粗糙度上判定，銑刀2不等齒距對稱螺旋角銑刀具有最好的減振效果，可以滿足葉輪的抑振切削。表5薄板