国家自然科学基金机械工程学科2020年度优秀结题项目（二）

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项目负责人：万敏

Email：[e-mail]

项目执行期：2017年1月-2020年12月

依托单位：西北工业大学

项目批准号：钛合金叶片高稳定多轴铣削的抑振理论与方法研究 51675440

项目简介

该项目以提高航空发动机关键材料—钛合金的加工稳定性为目标，围绕其铣削过程极易颤振的问题，研究了钛合金叶片多轴铣削过程的颤振控制方法。提出了铣削工艺过程阻尼的辨识方法和统一理论模型；研究了工件瞬时模态与材料去除等因素的关联机理，并建立了颤振预测模型；建立了考虑过程阻尼—材料去除效应—夹持效应等多因素耦合的稳定性极限预测模型，并且基于多目标优化研究了铣削稳定性极限提升的方法；开展了薄壁件被动抑振方法研究，设计了多种适应性较好的被动抑振装置。

主要研究进展及创新点

该项目以建立适用于钛合金材料铣削颤振的抑振理论为目标，围绕叶片等薄壁件稳定切削所涉及的基础理论和实际难题开展研究。在铣削颤振形成机理揭示、稳定性快速预测、抑振方法开发以及抑振装置设计与优化等方面取得了一定的研究成果。主要进展如下：(1) 建立了钛合金等难加工材料铣削稳定性预测模型，深挖低速段过程阻尼的形成机理，建立了适用于刚性工件的犁切阻尼模型、适用于薄壁件的切削速度方向变化阻尼模型和适用于变刚度铣削系统的过程阻尼统一模型，中航西飞实际应用实现钛合金铣削过程材料切除率提升135%。(2) 针对钛合金叶片等薄壁件铣削抑振难题，提出了附加质量法和预应力施加法两种被动抑振理论，实现了颤振稳定性的快速预测和有效调控，发明了基于预应力施加的稳定性调控装置。中航西飞实际应用实现了8m大蒙皮轮廓铣减振70%以上，18.5m大壁板增效50%以上，效果显著。(3) 提出了以附加配重作为吸振器的被动抑振方法，并且以切削过程中刀位点的最大位移响应为目标优化了吸振器的布局点；设计发明了可调频阻尼器被动抑振装置，实验验证了该装置可有效抑制薄壁件铣削过程中的切削颤振。

项目取得的主要研究成果

项目执行期间，发表SCI检索文章26篇（其中含本领域top期刊IJMTM 6篇），学术专著1部，授权发明专利15项，培养硕士研究生9名、博土研究生4名。提出的钛合金叶片高稳定多轴铣削的抑振理论与方法作为核心创新点获得国家发明二等奖1项(2020年度排第2名)、陕西省自然科学一等奖2项(2017年度排第2名、2019年度排第3名)、中国航空学会青年科技奖1项。成果已应用于中航工业西飞、航天动力研究院等单位实际生产。

团队介绍

项目负责人万敏教授是西北工业大学工程仿真与航宇计算技术团队成员，团队负责人是张卫红院士。团队主要从事航宇结构高性能设计与先进制造技术的基础和应用研究。在航空航天高性能整体式结构设计、飞行器大型薄壁结构高性能精确制造方面取得了系统性创新成果，解决了多个航空航天型号研制中的设计和制造难题。团队建设有科技部航宇材料结构一体化设计与增材制造装备国际联合研究中心、陕西省空天结构技术重点实验室等重点科研平台，拥有一流的高性能计算、制造与试验条件。研究成果获国家自然科学二等奖、技术发明二等奖各1项，省部级一等奖3项。

编辑：姚 辉     校对：金 程

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