基于附加辅助支撑的调控方法的优化方案

对于薄壁结构零件，在其刚性差的部位进行辅助支撑可以提高该部位抵抗加工变形与振动的能力。例如在较大尺寸航空发动机压气机叶片、环形机匣的加工过程中，可以采用辅助支撑的方式提高被加工件的刚性，从而减少交变切削力作用下的动态响应［1］。

机匣是航空发动机中一类典型的关键、重要零件，具有环形、薄壁等结构特征。这类零件既是形成发动机推进气流通道的重要部分，又是发动机的承力构件和核心部件的安装定位基准，其加工精度和表面质量是否满足设计要求，将直接影响发动机服役的安全性和可靠性。在机匣加工过程中，材料强度大、结构壁厚小、时变特性强、装夹方式复杂等因素致使工件产生加工变形与振动的倾向十分显著，使得加工过程难以控制，工件表面质量差，加工效率低。本小节以机匣为例，说明辅助支撑在动态响应调控中的作用。

图5.17　环形机匣辅助支撑示意图

（a）机匣夹具（b）立柱（c）支撑杆

如图5.17所示，机匣装夹过程中，每个支撑杆沿着机匣内表面支撑位置的法向产生作用。支撑杆与机匣内表面不直接刚性接触，两者之间隔有一层阻尼材料。弹性材料可以选择橡胶。采用带有弹性橡胶的支撑杆来控制机匣外型面铣削过程中的动态响应，其中弹性橡胶用于修改工艺系统的局部阻尼，起到消耗动态响应能量的作用；支撑杆则用来修改工艺系统的局部刚度，起到提高机匣侧壁刚度的作用。此时，工艺系统局部的动力学方程可以表示为

式中：mw，z、cw，z、kw，z分别为工件表面某个切削位置的法向模态质量、阻尼、刚度；Δcw，z、Δkw，z为工件表面某个切削位置的法向模态阻尼、刚度摄动；z（t）为工件表面某个切削位置的法向位移；Fz（t）为工件表面某个切削位置的法向切削力。(www.xing528.com)

图5.18　辅助支撑效果测试位置

如图5.18所示，对于某机匣上的三个不同的测试位置，位置1处有支撑杆，其相邻位置2处无支撑杆，位置3为两个支撑杆中间位置。分别在测试位置1、2、3处进行铣削试验，并采集得到各测试位置的切削力信号，测量结果如图5.19所示。铣削试验采用的切削参数：主轴转速为5000 r/min，进给速度为320 mm/min，前倾角度为4°，径向切宽为12 mm，轴向切深为0.5 mm。可以发现，测试位置1处的切削力信号非常平稳，刀齿通过频率333.3 Hz对应的频谱幅值最大，其他频率对应的频谱幅值都很小，说明支撑杆对测试位置1起到了很好的振动抑制作用。测试位置2与测试位置1紧紧相邻，测试位置2处的切削力信号也较平稳，刀齿通过频率333.3 Hz对应的频谱幅值最大，其他频率对应的频谱幅值都较小，说明支撑杆对测试位置1附近的局部动力学特性都有所改善。而测试位置3处的切削力信号出现了大幅度波动，其他频率如119.0 Hz和238.5 Hz对应的频谱幅值都要比刀齿通过频率333.3 Hz对应的频谱幅值大，即该铣削过程出现了明显的切削振动。

图5.19　不同测试位置的z向切削力及其频谱

（a）测试位置1处的z向切削力及其频谱（b）测试位置2处的z向切削力及其频谱（c）测试位置3处的z向切削力及其频谱

由上述分析可知，采用带有弹性橡胶的支撑杆来优化机匣的局部装夹结构，可以显著改善工艺系统的局部动力学特性。该方法与其他主动式动态响应控制方法相比，只需对夹具进行局部修改，便于在加工车间实施，同时该方法可以为加工让刀变形等静力学问题提供解决方案。