葉輪用錐球頭減振銑刀設(shè)計(jì)與應(yīng)用驗(yàn)證

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序言葉輪是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，其加工表面完整性對航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役性能與可靠性有著重要影響。航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)雜，相鄰葉片加工空間狹小，使得刀具可達(dá)性較差，導(dǎo)致加工過程中易出現(xiàn)顫振現(xiàn)象，進(jìn)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(gè)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(jī)葉片葉尖部位澆鑄頭套工裝來提高零件的剛度，進(jìn)而抑制零件加工過程中的顫振。另外一個(gè)較為有效的方式，就是通過設(shè)計(jì)主動(dòng)減振刀具的方式來抑制切削加工振動(dòng)，例如楊毅青等人設(shè)計(jì)了基于壓電效應(yīng)的切削振動(dòng)能量收集及減振車刀來抑制車削振動(dòng)。此外，也有學(xué)者通過仿真分析結(jié)合試驗(yàn)辨識(shí)的方式來獲得切削加工顫振穩(wěn)定域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加工顫振抑制。被動(dòng)減振刀具的結(jié)構(gòu)相對簡單，相對于主動(dòng)減振刀具應(yīng)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(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)加工顫振低成本的有效抑制。最后采用等效零件來驗(yàn)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(shè)計(jì)2.1

葉輪模態(tài)分析整個(gè)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(dòng)機(jī)葉輪零件（材料為高溫合金GH4169）。根據(jù)其實(shí)際裝夾方式進(jìn)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(lì)頻率無法達(dá)到其二階共振頻率及其他高階頻率。因此刀具設(shè)計(jì)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(lì)同頻激勵(lì)下受迫振動(dòng)合成振幅高達(dá)1.708mm。圖1

葉輪一階振型2.2銑刀幾何參數(shù)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的銑刀主要用于葉輪的精加工，因此綜合考慮刀具可達(dá)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(jìn)行設(shè)計(jì)。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(shí)的切削參數(shù)進(jìn)行物理仿真，具體各項(xiàng)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(jìn)行銑削二維物理仿真，對刀具的前后角進(jìn)行設(shè)計(jì)，前角可行范圍設(shè)置為5°～15°，后角可行范圍設(shè)置為10.5°～16°。將各組前、后角輸入軟件中分別進(jìn)行仿真后，主要以最大刀具應(yīng)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(yīng)力最小作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，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(yīng)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(shè)計(jì)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(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行三維銑削物理仿真，其余各項(xiàng)參數(shù)均相同，仿真時(shí)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(yīng)的3向銑削力數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)，僅考察低頻的銑削力幅值。在葉輪加工中，側(cè)銑葉片時(shí)最容易發(fā)生振動(dòng)，此時(shí)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(biāo)函數(shù)：最終獲得的三維仿真銑削力幅值譜標(biāo)準(zhǔn)差見表3。相比于等齒距等螺旋角的標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)差（單位：N）考慮到仿真與實(shí)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(jìn)行銑削試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)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(shí)物3

減振銑刀應(yīng)用驗(yàn)證與效果評價(jià)3.1等效薄板設(shè)計(jì)若在刀具開發(fā)初期就用葉輪進(jìn)行切削試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，成本將會(huì)十分高昂。因此本文提出特征等效方法：設(shè)計(jì)一個(gè)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(lì)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)相似，因此通過等效薄板的切削試驗(yàn)可以在較大程度上說明減振銑刀應(yīng)用于葉輪葉片銑削時(shí)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(shè)計(jì)要求。圖4等效薄板的一階振型3.2刀具減振效果評價(jià)考慮到葉輪最易發(fā)生振動(dòng)的結(jié)構(gòu)為葉片，而葉片多采用側(cè)銑的方式，因此試驗(yàn)時(shí)采用側(cè)銑來驗(yàn)證刀具的減振效果。試驗(yàn)時(shí)采用加速度傳感器獲取等效薄板的振動(dòng)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(yàn)現(xiàn)場用振動(dòng)加速度的標(biāo)準(zhǔn)差表征振動(dòng)大小，數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表4。結(jié)果顯示，薄板的振動(dòng)主要發(fā)生在機(jī)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(shí)薄板的Y向、Z向加速度標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)加速度標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果將3把銑刀加工時(shí)薄板的Y向、Z向加速度數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)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(yīng)的加速度數(shù)據(jù)在930Hz處的幅值遠(yuǎn)小于銑刀1，同時(shí)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(dòng)向遠(yuǎn)離薄板一階共振頻率的方向分散，從而實(shí)現(xiàn)更好的減振效果。

a）Y向

b）Z向

圖6銑刀1加工時(shí)薄板的加速度幅值頻譜

a）Y向

b）Z向

圖7銑刀2加工時(shí)薄板的加速度幅值頻譜

a）Y向

b）Z向

圖8

銑刀3加工時(shí)薄板的加速度幅值頻譜因此，銑刀2在減振原理與振動(dòng)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