整体叶盘叶片铣削加工表面质量控制仿真研究

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整体叶盘是高推重比航空发动机的核心零部件ll。如图1所示，叶片的弯曲扭转程度较大、其外廓尺寸相对截面尺寸大、属于典型的薄壁结构，故相对刚度较低，加工过程中受切削力作用易发生变形，并导致叶片的加工表面质量下降。

图1整体叶盘叶片模型Fig.1 Blisk B1Me Model针对某种金属材料的几何结构件，分析加工参数等因素对其加T表面粗糙度的影响规律 ，结果精确但成本较高。为了降低成本，有学者运用数学建模的方法对零件的已加工表面粗糙度进行仿真计算 ，以优化切削用量并降低生产成本 ，但没有考虑零件本身的结构特点。以整体叶盘叶片三维模型为研究对象，结合叶片实际铣削加工无涉刀具轨迹，仿真分析加工参数对叶片加工表面粗糙度的影响规律，为优化切削加工参数、提高叶片加T表面质量提供可靠依据。

2表面质量及表面粗糙度整体叶盘的工作特性和环境特点对其平衡精确度和疲劳强度提出了严格要求 ，故叶片须具有较高的表面质量。叶片的加工表面质量主要包含两方面内容：(1)加工表面几何形貌。主要指表面粗糙度、波纹度、纹理方目前针对零件表面质量的研究，有外学者借助于实验方法 向及表面缺陷等；来稿日期：2012-06-1 1基金项目：中航产学研创新基金项目资助(CXY2010SH29)作者简介：王明海，(1971-)，男，山东济南人，副教授，硕士生导师，工学博士膊 士后，主要研究方向：精密高效数控加工技术l78 机械设计与制造NO.4Apr.2013力大于叶片的中轴区域。随着主轴转速的增加，铣削过程中的铣削力减小，而铣削温度上升，导致叶片表面残余压应力绝对值减校同时，每齿进给量 0.05mm/z条件下，相应主轴转速加工所得叶片的表面压残余应力绝对值普遍小于每齿进给量f-o.02mm/z，由于进给量增大使材料的去除率增加，导致铣削热量增多 ，热应力引起的残余拉应力增加，从而使叶片表面残余压应力绝对值减校塞《j-o.05mm/z(b)j：-0.02mm/z图5不同参数下叶片表面残余应力Fig.5 Residual Stress of Blade in Different Parameters为r进-步研究叶片加工表面质量 ，在叶片仿真铣削加丁后，将刀具运动轨迹经过的各网格节点与其相邻节点的相对高度变化值作为已加工表面的残留高度。叶片在不同铣削参数下已加1I 表面高度变化情况，如图 6所示。

从阁 6町以发现，不同铣削参数下叶片表面高度变化趋势- 敛：靠近叶片ItJ轴线区域表面高度变化较为平缓，表面粗糙度值较低；相对轴线区域，前后缘位置高度变化较为剧烈，说明表面粗糙度值较大，表面质量相对较差。这是因为，叶片本身厚度不均匀，fji后缘位置厚度较小，刚性较弱，因此在铣削力的作用下的发弹性让刀变形的程度较大，弹性恢复时，产生的残余不平度高度增加 ，从而增大了加工表面粗糙度；而叶片轴线区域厚度较大。

刚性较两缘位置强，因此材料去除过程相对稳定，弹性让刀变形程度大大减小，故表面高度值较小，加 质量相埘较好 、1l 0-善 肆二 UI· 08中～- 6 ll n；- 004 1i'二T- 02 嘞 )--o墨三 --二 -04 -6i： .： ： 0-008. i ； ； ，(a)n2000r/min 0.02mm/z、0.05mm/z 十叶十rtr- 蛘 i i l I-.0～.--- Jj三- 1 lI !(b)n4OOOr/min，f-0.02mrdz、0.05mm/zU1 l I i l0 08 r-r l芒 6 f 1n1I [004 - r。下。rrr002O0020 04 1-- -.--.-0 06 。r]r-t-r008 P 下r-r(c)n6OOOr/min 0.02mm/z、0.05mm/z图6不同参数下叶片加工表面高度值波动变化曲线Fig6 Changing Curve of Blade Surface Height in Different Parameters不同加工参数下叶片已加工表面粗糙度对比情况，如图7所示。从罔 7中可以看出，相同进给条件下，叶片表面粗糙度值随主轴转速的增加逐渐减校由于主轴转速增加，铣削速度增大，叶片表面与刀具之间的摩擦和挤压作用造成的弹塑性变形程度减小，积屑瘤及鳞刺现象减小，且切削温度下降，故叶片表面高度值小；此外，相同主轴转速下，每齿进给量越大，表面粗糙度值越火。[大]为进给量的增大导致叶片加工表面残留面积高度增大，同时接触表面 芟升高，故表面粗糙度值增大。当主轴转速 n6000r/mm，每齿进给量7：0.02mm/z时，叶片表面粗糙度值最小，为6.91xm，此时叶片加T表面质量最好。

2UUU 4000 OUUU主轴转速图7不同参数下叶片表面粗糙度值对比Fig.7 Surface Roughness of Blade in Different Parameters6结论叶片螺旋铣削加工后，叶盆及叶背表面应力分布均匀 、叶片前后缘产生应力积聚；铣削参数影响叶片表面残余应力大小，但变化趋势-致。增大主轴转速、减小每齿进给量可降低叶片表面残余压应力值。不同铣削参数下叶片表面高度变化趋势-致：前后缘区域残留高度值大，波动变化剧烈，表面质量相对较差 ，叶片中轴线区域粗糙度值小，波动变化平缓，表面质量相对较高。表面粗糙度随主轴转速的增大而减小，随进给量的增大而增大。当主轴转速 n6000r/mrn，每齿进给量 ，0.02mm/z时，表面、柑I糙度值较小，叶片表面质量较高。基于有限元仿真结果，可优化加T参数以减小残余应力并降低表面粗糙度，从而达到提高叶片加：l。 表面质量的目的。 (下转第 182页)I 图182 机械设计与制造No.4Apr.201 3磊需0 10 2 4 6 8 10图 5动臂铲斗关节的控制律增益Fig.5 Gains of the Control Rate for Arm and Bucket通过仿真可以看出，动臂、铲斗的角度误差很小，可以满足实际工作的要求∝制输入较平滑稳定，不存在抖振现象。

6结论针对装载机的工作装置建立了两自由度动力学方程，考虑到装载机工作装置的非线性和参数不确定性，结合自适应模糊控制和滑呢制优点，设计了-种自适应模糊滑呢制器，并将其用于装载机工作装置的轨迹跟踪控制中。仿真结果表明这种控制策略对于参数不确定性都具有良好的动态响应性能，可以削弱高频抖振，具有良好的稳定性和鲁棒性。