葉片加工“顫刀”問(wèn)題的模態(tài)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

張修寰， 閆春明

（哈爾濱汽輪機(jī)廠(chǎng)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

在葉片的實(shí)際加工過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)局部突然間噪聲極大并且伴隨“刀顫”或者“料顫”的現(xiàn)象，葉片表面切削液飛濺，如同水開(kāi)了一樣。這樣加工出來(lái)的葉片表面都會(huì)出現(xiàn)“魚(yú)鱗紋”現(xiàn)象。這樣的葉片表面精度極差，局部可能出現(xiàn)“缺肉”，從而造成葉片超差報(bào)廢。

1 葉片的模態(tài)分析［1］

1.1 葉片變形的最大位置

為了找到葉片振動(dòng)的原因，首先應(yīng)找到葉片加工過(guò)程中變形最大位置，也就是葉片振動(dòng)時(shí)最容易出現(xiàn)最大振幅的位置。此時(shí)假設(shè)將每一時(shí)刻仿形銑刀對(duì)葉片的力同一時(shí)刻加載在葉片上。就形成了如圖1所示的均布力。

圖1 葉片上施加均布力效果圖

在均布力的作用下葉片的變形情況如圖2所示。變形最大的位置出現(xiàn)在葉冠出汽邊附近。

圖2 葉片在均布力作用下的變形圖

1.2 葉片的各階振型以及葉片的固有頻率

在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，將葉根完全固定。由于另一側(cè)頂針并不能受力，故葉冠側(cè)放開(kāi)，整體葉片為懸臂結(jié)構(gòu)。

根據(jù)葉片的材料，給定泊松比、彈性模量、材料密度等材料特性即可計(jì)算此狀態(tài)下的葉片固有頻率，如圖3所示。其各階振型如圖4~圖5所示。

從一、二階振型圖中可以看出，當(dāng)葉片達(dá)到一、二階受迫振動(dòng)時(shí)，葉片將會(huì)產(chǎn)生與根冠方向垂直的變形；當(dāng)葉片達(dá)到三、四階受迫振動(dòng)時(shí)，葉片將會(huì)產(chǎn)生與根冠方向垂直的變形和繞根冠方向的扭轉(zhuǎn)變形。

圖3 葉片的固有頻率

根據(jù)葉片的固有頻率，反求造成葉片共振時(shí)銑床的轉(zhuǎn)速。令銑刀刀頭有5個(gè)刀片，則：一階共振轉(zhuǎn)速S1=75.943×60/5=911.316 r/min；二階共振轉(zhuǎn)速 S2=187.34×60/5=2248.08r/min；三階共振轉(zhuǎn)速 S3=383.16×60/5=4597.92r/min；四階共振轉(zhuǎn)速S4=405.45×60/5=4865.4 r/min。

也就是說(shuō)，當(dāng)機(jī)床轉(zhuǎn)速達(dá)到911 r/min附近時(shí)，葉片在激振頻率作用下發(fā)生共振，葉片出汽邊達(dá)到最大振幅。造成葉片表面坑洼不平并且變形超差。

圖5 葉片的三、四階振型圖

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)時(shí)，以五軸聯(lián)動(dòng)加工中心為試驗(yàn)機(jī)床，刀具采用可鑲嵌5個(gè)刀片的仿形銑刀。在同一數(shù)控程序，相同參數(shù)、不同轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

在轉(zhuǎn)速1500 r/min下，葉片表面精度正常；當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到2357 r/min時(shí)，加工噪聲變大，葉片顫動(dòng)明顯。加工出來(lái)的葉片有明顯魚(yú)鱗紋，局部“缺肉”，葉片報(bào)廢。通過(guò)三坐標(biāo)檢測(cè)，葉片出現(xiàn)與根冠垂直方向上的偏差變形，變形量1~2 mm。

圖6 在轉(zhuǎn)速1500 r/min與2357 r/min下葉片表面精度圖

通過(guò)試驗(yàn)可得到以下結(jié)果：1）當(dāng)機(jī)床銑刀轉(zhuǎn)速達(dá)到葉片的同階固有頻率附近時(shí)，葉片發(fā)生共振，表面加工質(zhì)量變壞，并且伴隨變形，變形情況與共振振型相關(guān)。2）葉片發(fā)生共振的位置為受力薄弱處的葉冠出汽邊附近，此處為受迫振動(dòng)幅值最大位置，也是共振造成破壞最嚴(yán)重的位置。

3 結(jié)論

葉片加工時(shí)，葉片受到激振力的作用產(chǎn)生受迫振動(dòng)。當(dāng)激振頻率達(dá)到葉片固有頻率附近時(shí)，葉片發(fā)生共振，振動(dòng)幅值變大造成葉片表面損傷并伴隨葉片變形。為避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，在實(shí)際加工前，應(yīng)預(yù)先計(jì)算葉片的固有頻率、在實(shí)際加工過(guò)程中盡量避開(kāi)固有頻率范圍。也可通過(guò)改變裝夾方式等方法提高葉片固有頻率防止葉片共振造成葉片超差。

［1］ 張利民，王克明，吳志廣.葉片模態(tài)分析的單元類(lèi)型選擇［J］.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（2）：10-15.