【风扇叶片变形控制与振动抑制技术研究的文献综述3800字】

风扇叶片变形控制与振动抑制技术研究的文献综述对风扇叶片等低刚度零件的变形控制和振动抑制技术研究从很早就引起了工程师和研究者的关注。在早期的生产实践中，人们认识到通过粗加工-精加工方法可以在保证加工效率的同时尽可能避免变形和振动带来的不良影响。之后，常用于铣削薄壁零件的水线策略被提出和应用，这一策略是在薄壁结构两侧进行交替铣削，在一定程度上可以简便地减弱变形和振动对尺寸精度带来的不良影响[42]。此外，还有通过设置加强筋和肋板的方式提高结构刚度[43]，减弱加工变形和振动。近年来，随着数控五轴加工技术的发展，薄壁异形零件的高效精密加工要求日益提高，对更高精度的变形控制和振动抑制技术的需求更加迫切。目前大多数学者的研究路线分为两种：一是通过对变形振动的预测来优化调控工艺参数，二是通过研制新型工艺装备来提高系统刚度、改善阻尼特性。风扇叶片工艺参数优化调控研究现状要实现加工工艺参数的优化调控，需要首先得到工艺参数对加工变形和振动的影响关系。常用的手段有两种：一是通过在机测量及误差分析对每次走刀的结果进行分析和推理型，二是通过动力学分析、有限元建模、实验、神经网络等方法建立加工变形和振动的预报模型。对于第一种手段，WangG[44]提出了一种针对薄壁零件的在线测量和余量自动补偿方法。该方法能够在数控机床上直接在粗加工/半精加工后测量工件，无需转移和重新夹紧工件，然后计算补偿值，自适应调整精加工过程中的切削深度。对于第二种手段，S.Ratchev[45]提出了一种基于推广的理想塑性层模型，结合有限元模型预测零件变形的方法。该方法考虑了刀具浸入角的变化，采用微元切削力模型来计算切削力，将切削力输入有限元模型来计算变形量。Chen[46]建立了薄壁零件多道次加工变形的动力学模型，通过迭代法计算切削力产生的加工变形，具有较高的预测精度。江斌[32]则使用BP神经网络算法建立了以切削参数为输入的加工变形预测模型。Mundium[47]通过实验和有限元分析相结合的方法建立了薄壁零件的频率图，能够预测切削颤振的发生，从而控制工艺参数维持在加工稳定区。基于上述的预报模型或在机测量技术，人们能够对加工参数进行优化甚至是实时调控。主流的方向是通过刀具路径的重新规划来对变形和振动造成的误差进行补偿。这一方向常用的方法是“镜像补偿法”，该方法通过对名义刀具轨迹进行修正，补偿单次切削的变形量。Chen[46]采用镜像补偿法对变形误差进行补偿，考虑到刀轨的单次补偿会对切削力产生影响，继而产生新的加工变形，因此需要通过多次补偿在切削力和加工变形之间建立迭代关系，逐次修正变形量。Gao[48]在建立切削力模型的基础上，得到了直接影响加工变形的合理切削参数组合，并提出了一种基于修改刀位点的高效误差补偿方法，适用于薄壁曲面零件的加工变形控制。除了基于刀具路径规划进行主动误差补偿的方法之外，许多学者也在研究通过优化调控切削参数、刀具参数等方式来控制变形和振动。Tang[49,50]建立了主轴转速、轴向和径向切削深度的三维波瓣图。根据三维波瓣图，可以优化选择切削的轴向和径向深度，提出了轴向和径向切削深度最佳配对条件。Budak[51]提出了一种基于有限元模型的结构动态修正的过程中工件动态预测方法，该方法能够通过沿刀具轨迹去除的材料来更新预报模型，更精确地调控切削载荷的频率，避免颤振。在风扇叶片的加工中，由于叶身型面复杂，不同部位的刚度不一致，在加工过程中不同部位的让刀量分布不均，难以简单准确地判断变形集中区。对于大尺寸的风扇叶片，变形的不均匀性和不规律性尤为明显。因此，通过控制切削参数实现不同部位变形的精准控制存在较大的难度。风扇叶片工艺装备研究现状在实际生产中更具有应用价值和前景的方法，是通过研发新型工艺装备来提高工艺系统的刚度、改善阻尼特性。目前的生产现场中，这一方法大量使用[52]。在我国航空发动机主机厂中，叶片加工工艺流程使用了大量的工艺装备来保证各类叶片加工过程中的工艺系统刚度。国内在航空发动机叶片上的传统加工方法是基于叶身低熔点合金浇注加工和手工抛光的方式，即对近净成形的叶片毛坯进行六点定位夹持后，将叶身通过低熔点合金浇注成为一个浇注块，对叶片进行辅助支撑，并且把复杂的叶身点定位转换成规则的面定位，进而进行叶片榫头、叶尖的精密加工；之后，再采用人工抛光的方式进行叶片表面的光整加工。但是这种工艺方法在生产中存在非常明显的缺陷：工艺链长、生产准备复杂、工作效率低，低熔点合金的浇注和融化也带来了叶片表面的残留和清理问题，浇注和融化的工况也比较恶劣；人工抛光的方式存在劳动强度大、工作环境恶劣、抛光效率低、抛光叶型一致性差、叶片精度难以保证等问题。国际著名的斯达拉格（Starrag）、哈米勒（Hamuel）等公司已经研制成功叶片自动化生产线成套专用系统并投入到了通用电气（GE）、罗尔斯·罗伊斯（RR）、赛峰（Safran）的发动机叶片生产之中，但关键技术方法及核心装备都对我国严格保密。图STYLEREF1\s1.SEQpic\s16斯达拉格风扇叶片加工工艺装备国内外学者对风扇叶片加工过程中控制变形和抑制振动的工艺装备也有一系列的研究。针对叶片加工过程中存在的变形让刀现象，研究者提出了多点柔性辅助支撑夹具、双端装夹工装、叶身中部支撑机构等不同的工艺装备技术方案。Wang[53]和Wu[54]提出了适用于自适应加工工艺的多点柔性辅助支撑工艺装备，该工装采用多个柔性元件支撑和夹紧叶片，提高系统刚度，提高夹紧力的同时确保叶片的变形是一个整体刚体位移，叶片夹具系统的主要变形发生在四个夹紧头上，有效地防止叶片的局部变形，整体刚性位移则通过自适应加工工艺消除误差。专利CN103909432[55]提出了一种通过多个支撑螺杆支撑叶片从而提高系统刚度的组合式夹具。支撑螺杆可以自由移动和调节高度，末端安装位置传感器，可以适用于多种叶片的辅助支撑并且可以在线监测叶片加工状态。专利CN102862035[56]提出了一种薄壁叶片分区域对称精密切削加工方法及其专用夹具，能够交替对称支撑叶盆和叶背的各个子区域，保证各个子区域加工时的系统刚度。陈志同[57-59]提出了一系列通过双端装夹方式实现长跨度叶片定位和夹紧的工艺装备，通过施加一定预拉力，减小了叶片在切削载荷下的挠曲变形，同时在叶身中部增加辅助支撑，大幅提高了工艺系统的刚度。针对薄壁零件加工过程中存在的振动问题，研究者提出了被动减振、半主动减振和主动减振等方式。在被动/半主动减振工艺装备方面，王民等[60]提出了一种新型的宽频带分布式多重动力吸振器：在零件上布置多个动力吸振器，分别调节各个动力吸振器的固有频率，能够适配随着切削部位移动而变化的时变切削振动。毋健雄[61]设计了一种磁流变柔性夹具，研究了励磁电流强度对薄壁工件刚度的影响并绘制了不同励磁电流点高度下的稳定性叶瓣图。Fei等[62]通过在工件背面添加可动阻尼器，阻尼器跟随刀具进行移动，相比与固定阻尼器能够更加显著地提高系统的稳定性。在通过工装夹具实现主动减振这一思路上，Wang等[63]在工件未参与切削一侧粘贴加速度传感器和压电作动器，通过时变PD控制方法实现了切削振动的实时反馈主动控制。Lorenzo等[64]设计了一种两自由度主动夹具，采用开环控制策略抑制颤振。吴越等[65]利用带约束的双模预测控制算法，通过音圈电机对薄板铣削过程的振动进行主动控制，有效降低了工件的表面粗糙度。从现有文献来看，现有的工艺装备常采用多点支撑的方法提高工艺系统刚度，但是增加辅助支撑的数量，一方面会增大工装的质量和体积，提高了生产成本，另一方面也压缩了刀具的运动空间，需要考虑避免出现干涉和保证加工区域有足够的加工空间等难题。因此，设计一项能够贴合叶身型面且进行随动支撑、自动避让的工艺装备，能够节省辅助支撑的数量，保证加工空间的同时提高系统刚度，具有实用价值和创新性。参考文献刘大响，程荣辉.世界航空动力技术的现状及发展动向[J].北京航空航天大学学报,2002(05):490-496.刘大响，金捷，彭友梅，等.大型飞机发动机的发展现状和关键技术分析[J].航空动力学报,2008(06):976-980.陈懋章，刘宝杰.风扇/压气机气动设计技术发展趋势——用于大型客机的大涵道比涡扇发动机[J].航空动力学报,2008(06):961-975.陈光.高涵道比涡轮风扇发动机发展综述[J].航空制造技术,2008(13):40-45.余自武，韩铖熹.LEAP发动机——助力C919早日成功[J].大飞机,2014(06):46-48.梁春华.高性能航空发动机先进风扇和压气机叶片综述[J].航空发动机,2006(03):48-52.刘维伟.航空发动机叶片关键制造技术研究进展[J].航空制造技术,2016(21):50-56.黄维，黄春峰，王永明，等.先进航空发动机关键制造技术研究[J].国防制造技术,2009(3):42-48,52.冯之敬.机械制造工程原理[M].清华大学出版社,2008.MerchantME.MechanicsoftheMetalCuttingProcess.I.OrthogonalCuttingandaType2Chip[J].JournalofAppliedPhysics,1945,16(5):267-275.MerchantME.MechanicsoftheMetalCuttingProcess.II.PlasticityConditionsinOrthogonalCutting[J].JournalofAppliedPhysics,1945,16(6):318-324.A.AEJ,C.WR.ComputerBasedModellingofPopularMachiningOperationsforForceandPowerPrediction[J].Elsevier,1985,34(1).MinyangY,HeeduckP.Thepredictionofcuttingforceinball-endmilling[J].Pergamon,1991,31(1).刘井玉，刘华明，王延福.螺旋刀刃曲线的统一模型——普通螺旋线[J].工具技术,1998(06):24-26.Y.A,P.L.MechanicsandDynamicsofBallEndMilling[J].JournalofManufacturingScienceandEngineering,1998,120(4).LiuXW,ChengK,WebbD,etal.ImprovedDynamicCuttingForceModelinPeripheralMilling.PartI:TheoreticalModelandSimulation[J].Internationaljournalofadvancedmanufacturingtechnology,2002,20(9):631-638.LiuXW,ChengK,WebbD,etal.Improveddynamiccuttingforcemodelinperipheralmilling.PartII:experimentalverificationandprediction[J].TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2004,24(11-12):794-805.佀昊.薄壁件五轴侧铣加工变形误差补偿与进给速度优化研究[D].清华大学,2019.洪贤涛.球头铣刀铣削力建模与仿真研究[D].西安理工大学,2020.吴刚.球头刀精铣自由曲面切削力建模及刀具姿态影响分析[D].西北工业大学,2019.卞化梅.球头铣刀加工曲面的切削力解析建模[J].煤矿机械,2007(12):61-63.SasaharaH,ObikawaT,ShirakashiT.FEManalysisofcuttingsequenceeffectonmechanicalcharacteristicsinmachinedlayer[J].Jour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