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整体叶轮铣削颤振在线控制技术的研究进展

2013-12-07李茂月刘献礼于海滨

河北科技大学学报 2013年4期
关键词:叶轮曲面刀具

李茂月,刘献礼,于海滨

(哈尔滨理工大学机械动力工程学院,黑龙江哈尔滨 150080)

整体叶轮铣削颤振在线控制技术的研究进展

李茂月,刘献礼,于海滨

(哈尔滨理工大学机械动力工程学院,黑龙江哈尔滨 150080)

由于整体叶轮曲面曲率变化产生的加工复杂性,使其颤振机理和控制技术成为实现稳定加工的关键和难点。综述了整体叶轮加工技术的现状,对当前直纹面整体叶轮加工过程存在的问题进行了概括。对整体叶轮加工过程的离线和在线控制技术进行了分析,并提出了整体叶轮铣削颤振控制技术的未来研究动向。

铣削颤振;整体叶轮;在线控制;插补

目前,发动机叶片、模具、汽车车身覆盖件等含有复杂曲面的产品和零件在现代制造业中所占的比例越来越大,对加工的精度和效率的要求也越来越高。叶轮类零件是典型的、具有代表性的复杂曲面零件,其加工精度和加工质量直接决定着相关机械设备的工作效能,研究高速、稳定的叶轮类零件的刀具轨迹规划、加工工艺一直是数控加工领域研究的热点。相关企业为了提高产品的加工效率,机床系统、切削过程通常工作在动态稳定性的极限状态。因此,叶轮类曲面加工过程的稳定性问题,直接关系到叶轮的加工质量和未来的工作性能。

1 整体叶轮模型

按照整体叶轮的不同结构,可将其分为开式整体叶轮和闭式整体叶轮,如图1所示。图1 a)为开式整体叶轮;图1 b)为闭式整体叶轮。开式叶轮的进气、排气边和叶尖位置是开放的,叶根位置是封闭的。开式整体叶轮又可细分为有底盘类和无底盘类,将无底盘类称为半开式整体叶轮。按照整体叶轮的不同工作方式又可将叶轮分为轴流式和径流式2类。整体叶轮建模用数据可通过三坐标测量机等设备扫描叶轮叶片表面,实现叶轮零件的数字化测量[1]。

图1 整体叶轮分类Fig.1 Classification of integral impeller

叶轮加工的复杂性主要在于叶片的曲面造型很复杂,其曲面根据成型原理可以分为直纹曲面和非直纹曲面,而直纹曲面又可分为可展直纹面和非可展直纹面。若直纹曲面上任意两条直母线彼此平行或相交,即它们在同一平面上,则称为可展直纹面,如图2 a)所示,反之则为非可展直纹面,如图2 b)所示。直纹面叶轮结构相对简单,多应用于航空航天整体叶轮、压汽轮机叶片等复杂零件的曲面成型,而自由曲面叶轮叶片扭曲率大、造型困难。

图2 直纹曲面Fig.2 Ruled surfaces

2 整体叶轮加工技术

利用五轴数控机床实现整体叶轮的加工是目前的主要方法之一,其关键技术包括:数控加工路径规划[2]、多约束加工干涉避免[3],加工过程中的切削工艺参数确定及优化[4]以及系统加工变形控制及误差补偿[5]等,对于影响加工稳定性的颤振预测和抑制的研究却较少。

2.1整体叶轮加工CAM系统

叶轮叶片侧铣加工有2种常用方法。第1种方法是开发一种专用的叶轮编程软件,即针对确定的叶轮对CAD/CAM软件进行二次开发或自行编程开发出叶轮加工的专用CAM系统,通过加入规划算法自动生成叶轮模型与刀位轨迹。然而,这种专用软件面向对象较为单一,但具有成本低、可很好实现设计者的意图等优点。在中国,大连理工大学根据实际经验及需求成功地开发出整体叶轮类零件的五坐标加工用CAD/CAM系统[6]。哈尔滨工业大学也通过自行编程开发出直纹面整体叶轮加工CAM系统[7]。作者所在的课题组基于UG二次开发技术实现的直纹面叶轮CAD/CAM专用系统如图3所示。

图3 整体叶轮CAD/CAM系统Fig.3 CAD/CAM system of integral impeller

图4 整体叶轮侧铣加工用刀具Fig.4 Flank milling cutters of the integral impeller

第2种方法是应用国外开发的常用软件如UG,CATIA等;或专用叶轮 CAD/CAM软件,如美国的MAX-5,MAX-AB等;或是机床附带的叶轮叶片加工软件,如瑞士Starrag Heckert公司为五轴机床所配备的软件。然而,这些软件造价高、核心程序保密。

2.2整体叶轮加工技术研究

按叶轮曲面形状的不同,在数控机床上加工时通常采用2类方法[8]:第1类是点铣法,即用球头刀按叶片的流线方向逐行走刀,逐渐加工出叶片曲面。这种加工方法能较好地拟合出所要加工的复杂叶片曲面,缺点是加工表面的一致性差、表面硬化严重;由于加工路径密集,易造成刀具的较快磨损且加工周期长。第2类是侧铣法,即用圆柱铣刀或圆锥铣刀的侧刃铣削叶片曲面,它主要用于直母线型叶轮的加工。相对于点铣法,侧铣加工具有节省加工时间、节约刀具成本、粗加工后留给半精加工工序的表面规则光顺、便于下道工序的编程和加工等优点,因此得到广泛研究和应用。

直纹面侧铣加工的刀具有圆柱刀、圆锥刀、鼓形刀等,图4所示为整体叶轮侧铣加工用部分刀具,其都是利用刀刃母线对叶轮进行包络满足加工需求。由于侧铣加工时刀具包络面是可展直纹面,一次性走刀就能完成精加工,而实际加工的叶轮叶片为非可展直纹面或自由曲面,从而使两者间存在了加工误差。国内外学者对侧铣加工误差的产生与控制做了大量的研究,主要体现在对圆柱刀[9-12]与锥形刀[13-16]加工直纹面算法的控制。

2.3整体叶轮加工目前存在的问题

叶轮零件设计阶段,常规的CAD/CAM 软件只能提供纯几何干涉检查功能,无法对切削加工过程中诸如切削力、功率、转矩以及加工稳定性等对于保证加工质量和效率至关重要的物理量和现象进行检测。然而,铣削力却是数控加工物理仿真、颤振抑制技术的关键参数之一。叶轮曲面侧铣加工中,刀具的切削条件通常是不断变化的。变切削条件主要包括刀具进给方向的变化和刀具与工件切触区域的变化。切削条件变化在铣削力模型中主要通过未变形切屑厚度体现出来,而进给方向变化影响未变形切屑厚度的计算模型。

另外,设计人员通常只研究叶轮叶片加工最终状态的模态,即叶片的设计模态,并将其作为避免不稳定加工的决定性因素。然而,叶片的加工过程是一个材料去除过程,叶片的刚度矩阵和阻尼矩阵处于不断变化过程中,叶片的最终加工状态只是其变化过程中的状态之一。在叶轮的试生产过程中,大量的试切实验是避开振动区域、确定加工参数的主要手段,耗费大量的人力和机时。到目前为止,切削工艺参数的选取尚未有完整的数据库可供选择,只能靠操作者的实际经验。尤其对于精密、薄壁和复杂曲面的叶轮类零件加工,往往难以获得预期的加工质量。其根本原因是铣削工艺制定过程中没有考虑切削力、工艺系统的动态特性和机床的动力学特性等的影响,且在叶轮加工颤振发生时,没有有效的在线检测(在线预测)和抑制颤振的方法和手段。

3 整体叶轮铣削颤振相关控制技术

整体叶轮的叶片属于薄壁悬臂梁,质量轻、刚性低,在加工中极易改变工件的动态特性、改变主轴-刀具-工件三者结合的工艺系统动态特性,从而极易产生振动。一方面,叶片的叶尖和前后缘的厚度通常不到0.4 mm,在叶片受到切削力后,极易产生颤振并出现严重的“让刀”现象,并且切削力周期变化是一个稳定的激励源[17]。另外,由于受通道的限制,刀具直径小且刀杆长,大的悬臂直径比对加工方式、进给速度、切削量、加工余量、主轴转速等工艺参数的选择带来极大的局限性。如果工艺参数选择不当, 往往会造成工件、刀具的振动,加大加工误差。刀具及叶片间耦合产生的颤振,使叶片表面出现鱼鳞状缺陷,严重影响叶片的表面加工质量,导致表面出现振纹等问题,如图5所示。最后,刀具的磨损使切削条件急剧恶化,也容易产生振动。因此,在较大的金属去除率下,叶轮零件的切削变得相当复杂,许多静态和动态的问题相继出现,成为高速切削加工领域内的一个难点。

图5 整体叶轮加工过程中的颤振刀痕Fig.5 Chatter masks of the integral impeller in the processing

通常认为,颤振可以分成2类:第1类是由切削过程本身引起的颤振,包括刀具和工件间的摩擦、切屑形成过程中的热量影响、模态耦合影响;第2类是由工件表面的波纹的再生原理引起的颤振。再生型颤振(由于切屑厚度不规则变化产生的动态切削力导致切削系统的自激振动)是形成颤振的最重要原因,也是最有害且最不容易控制的一种颤振。目前,对颤振开展的研究主要包括3方面:1)切削颤振的成因与机床结构动力学特性研究;2)颤振的预防和反馈控制研究。包括研究和改造现有机床内部结构,开发各种减振器或者附加减振装置,调整铣削加工过程中的参数变量等;3)机床颤振的实时监测与切削用量控制,包括颤振征兆的识别和在线控制策略等。

从20世纪40年代开始,金属切削系统动态特性建模、切削参数稳态和非稳态特性研究就成为重要的研究内容。文献[18]通过在线主轴转速波动和离线进给速度调度,研究了柔性涡轮叶片精铣削阶段颤振的抑制。然而,作者提出的主轴转速波动方案仅给出了一个波动范围,而并未给出控制策略的原理。文献[19]对在线控制颤振的原理进行了研究,并作了仿真分析。在叶轮类零件颤振的研究领域,研究者更多集中于叶轮工作时旋转过程中的颤振现象、机理和抑制的研究,而对加工领域曲面颤振在线预测和抑制的研究较少。正如BUDAK所强调,目前对五轴加工曲面铣削颤振的建模、工件颤振的抑制问题并没有成功解决[20]。

3.1铣削颤振离线控制技术

数控加工颤振的离线控制措施一般包括:刀具路径规划、程序段进给速度调度和主轴转速选择、特殊刀具的设计。如果基于实验或精确的机械模型能获得有效的切削信息,则采用离线技术控制是有效的。例如,在刀具路径规划时可以让刀具沿加工系统刚度高的路径切削,该方法要求对切削系统的动态特性、沿着刀具路径切削力的幅值和方向有很好的掌握。目前,进给速度调度研究的热点是保证切削力恒定且刀具变形小,五轴铣削中实现进给速度调度最大的难点是建立精确的动力学模型,目前仍未解决。而特殊刀具设计、主轴转速选择所依据的主要原理是切削稳态极限图,如图6所示(图中A,B,C为实现稳定加工的3种方案)。但只有当加工中稳定性极限图不发生改变时,这两种措施对抑制颤振才是有效的,而整体叶轮加工过程中随着叶片曲率的变化,其稳态极限图会随时发生变化。

图6 机床切削稳定性极限图Fig.6 Machine tool cutting stability limit diagram

BRAVO等提出了一个针对柔性部件加工建立三维稳定性极限图的方法,该方法可覆盖铣削过程中所有的中间阶段,比单独的机床和工件稳定性极限图精度更高[21]。随着高速加工技术的发展和对系统稳定性认识的深入,除传统的通过稳定性极限图优化选择系统加工参数外,通过修改系统结构参数以改变系统动态特性也可以实现系统的稳定性。文献[22]提出了一个匹配了额外的摩擦弹簧元件的新型非线性可调质量阻尼器。文献[23]提出使用磁流变液控制镗杆来抑制颤振,实验表明,通过调整阻尼和系统的固有频率可以实现颤振的有效抑制。

总之,加工参数虽然可以通过离线控制预先进行优化,但是实际加工工况不断变化(如刀具磨损、热量产生、过程扰动等),因此,编程时预先指定和离线优化的加工参数并不能使加工目标总是维持最优。

3.2铣削颤振在线控制技术

在对加工系统缺少可靠的信息和精确的动力学模型时,可以应用在线测量和智能控制技术[24]实现颤振抑制。而颤振在线检测、识别、抑制等需要解决2个方面的问题:首先,应可靠地检测出发生颤振的时刻。在铣削过程中,由于刀齿切入切出的瞬态影响,稳态和非稳态之间的界限并不是很明显。因此,确定一种方法来精确地判定加工过程是否处于稳态非常必要,且该方法不应依赖于切削参数。其次,采取某种措施在线改变机床的动态特性和稳定性极限图,从而避免或抑制颤振。另外,相关方法应具有集成至数控系统的接口和技术。

在线判定铣削颤振是否发生(或铣削过程稳定与否)从理论和实验方面都不是一件容易的事情,其检测方法主要有3种:一是通过铣削实验,提取出传感器测得的一转的振动响应信号,然后判断切削过程是否稳定。另一种方法是通过快速傅里叶变换,将实验测得的与振动响应相关的时域信号转换到频域,并根据计算出的频率特性进行稳定性判断。加工过程中的动态特性对测得的信号具有重要的影响,因此仅通过测得的信号进行稳定性判断,在一些情况下并不能获得准确的结果。为此,可以根据已加工工件的表面是否出现振纹进行颤振的辅助判断,出现振纹则表明切削过程发生了颤振。

对于铣削颤振的在线抑制,调整切削参数控制法由于其可操作性强、抑振效果好,是近年来切削稳定性控制研究的重点和热点,其研究目标是通过在线调整主轴转速、轴向、径向、切向深度和刀具铣入铣出角等切削参数,确保切削在条件稳定区进行。例如,平面铣削中通过在线改变主轴转速来连续的扰动自激颤振、改变进给速度使切削达到一个较高的稳态区域从而避免颤振等,如图7所示。

作者研究的通过测力仪、振动加速度传感器基于开放式数控系统实现的在线监测复杂直纹面加工过程、并实现在线改变切削参数抑制颤振的实验过程如图8所示。

图7 不同方案主轴转速调制图Fig.7 Different modulation scheme for spindle speed

图8 基于在线控制技术的曲面侧铣加工Fig.8 Surface flank milling based on the online control technology

然而,由于整体叶轮类零件五轴加工的复杂性,如何根据颤振的不同阶段在线实现正确的、合理的颤振抑制策略,仍是研究的难点。

4 整体叶轮铣削颤振控制技术的研究动向

虽然叶轮类零件加工过程中的非稳态特性的研究已经引起了学者们的高度重视,但由于五轴铣削过程的复杂性,相关研究尚处于理论分析和仿真研究的起步阶段,对叶轮铣削颤振的机理和颤振抑制技术尚需在以下方面做出进一步研究:

1)建立能够精确描述叶轮类复杂零件五轴铣削动力学特性的数学模型。目前关于曲面铣削动力学特性的研究主要从建立铣削力和切屑厚度的模型着手,而铣削力模型和切屑厚度模型通常是基于槽铣加工恒定切削几何条件建立的静态模型,没有考虑到曲面加工中变化的切削几何条件对瞬时未变形切屑厚度和切削力的影响。曲面加工中最显著变化的切削几何条件包括:由于刀具或转台旋转而引起的刀具的进给方向和刀具与工件的切触区域的变化,而该切削几何条件的变化对相关模型的精度有重要的影响。

2)提出能够科学、准确的在线预测叶轮铣削颤振发生的判定规则或相关理论。目前还缺乏支持曲面类复杂零件实际加工稳态特性预测的相关理论。例如,如何结合叶片几何特征、数控程序运动段的参数、实时采集的切削力等物理量的相关信息实现铣削稳定性的预测。

3)叶轮类曲面插补与铣削稳定性兼顾的相关加工技术。在编制整体叶轮数控加工程序时,所用的插补算法在进行曲面路径插补时考虑的约束条件目前多局限于插补精度等几何特征,而缺乏与铣削稳态特性的检测(或预测)和抑制间的“交互接口”。也就是说,曲面插补在同时考虑精度和稳态特性指标的条件下,如何建立其与插补算法的关系模型,从而实现高精、稳态加工。

4)能够实现叶轮类曲面加工、颤振控制技术集成的研究平台。目前,导致叶轮类复杂曲面稳定性加工研究停留在仿真阶段的一个很重要原因,即为缺乏相关实验研究的技术平台。该平台应该具有下述功能:具有集成外部传感信号、反馈信号的能力;具有曲面加工插补算法开发、修改或动态调整的能力;具有方便集成曲面铣削动力学模型、加工稳定性实时分析预测的能力;具有在线调整相关工艺参数实现在线颤振抑制等的能力。

5 结 语

复杂曲面铣削加工在线智能控制研究是一个综合性、系统性的研究方向,其涵盖的领域也非常广泛。通常认为,通过对加工过程实现在线监控,可以提高10%~65%的加工效率。为解决叶轮类复杂曲面侧铣过程中的颤振问题,总结了目前数控加工过程中存在的问题,以及采用的离线和在线颤振控制技术。指出在对叶轮类曲面铣削颤振机理研究的基础上,利用机床适应控制技术是解决曲面加工颤振的有效途径。即通过对实际加工变量(切削力、切削功率、刀具磨损等)的在线检测及加工稳定性预测,并同步利用控制策略实时自动实现加工参数(主轴转速、进给倍率、插补步长等)的有效调整,以消除加工过程中外界扰动和机床动态特性的影响,进而实现整体叶轮加工过程(生产效率和产品质量)的整体优化。

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Research progress of online control technology for integral impeller milling chatter

LI Maoyue, LIU Xianli, YU Haibin

(Mechanical and Power Engineering College, Harbin University of Science and Technology, Harbin Heilongjiang 150080, China)

As the changes in surface curvature caused complexity of integral impeller machining, the chatter mechanism and control technology have become the key and difficult point to achieve a stable machining process. The overall status of the integral impeller machining technology is summarized, and the existing problems in the current ruled surface integral impellers processing are reviewed. The offline and online control technologies for the integral impellers machining process are also analyzed. Meanwhile, future research trends for integral impellers milling chatter control technologies are presented.

milling chatter; integral impeller; online control; interpolation

1008-1542(2013)04-0279-07

10.7535/hbkd.2013yx04003

TP273+.2

A

2013-05-03;

2013-05-21;责任编辑:李 穆

国家自然科学基金(51205098);中国博士后基金(2013M531055)

李茂月(1981-),男,山东青岛人,讲师,博士,硕士生导师,主要从事开放式数控系统、复杂曲面五轴数控加工等方面的研究。

E-mail: lmy0500@163.com

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