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整體葉盤型面開式砂帶精密磨削方法 版權信息
- ISBN：9787030636034
- 條形碼：9787030636034 ; 978-7-03-063603-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
整體葉盤型面開式砂帶精密磨削方法 內容簡介
本書介紹了整體葉盤數控砂帶磨削實驗裝置、實驗方法以及實驗方案。同時介紹了整體葉盤砂帶磨削精度一致性評價方法，并且通過實現自動化手段后對砂帶磨削表面完整性精度和砂帶磨削輪廓精度對整體葉盤砂帶磨削精度的一致性進行了綜合分析。本書開展航空發動機整體葉盤數控拋光技術研究，實現整體葉盤復雜型面的高效自動化精密拋光。
整體葉盤型面開式砂帶精密磨削方法 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 國內外整體葉盤拋光技術及裝備研究進展 4
1.1.1 整體葉盤磨料流拋光技術及裝備研究進展 4
1.1.2 整體葉盤電解精密加工技術研究進展 7
1.1.3 整體葉盤數控拋光技術及裝備研究進展 10
1.2 整體葉盤開式砂帶磨削方法研究進展 16
1.2.1 開式砂帶磨削方法研究進展 16
1.2.2 砂帶磨削材料去除模型研究進展 17
1.2.3 整體葉盤砂帶磨削無干涉規劃研究進展 19
1.2.4 目前研究存在的不足 19
第2章 開式砂帶高效磨削新方法研究 21
2.1 開式砂帶精密磨削新方法的提出及原理分析 21
2.1.1 基于單顆粒模型的砂帶磨削磨損分析 21
2.1.2 砂帶磨削磨料磨損基本規律分析 25
2.1.3 基于切削優化的開式砂帶高效磨削運動原理 28
2.2 開式砂帶精密磨削運動控制方程及其仿真 30
2.2.1 阿基米德螺旋運動原理 31
2.2.2 開式砂帶磨削更新運動分析 33
2.2.3 曲率往復更新串行復合運動分析 35
2.2.4 曲率往復更新并行復合運動分析 39
2.3 開式砂帶磨頭關鍵結構設計與磨頭調試 41
2.3.1 二次靜壓氣浮磨具設計與分析 41
2.3.2 開式砂帶輪系布局設計與分析 46
2.3.3 開式砂帶精密磨削新型磨頭調試 49
2.3.4 本章小結 50
第3章 鈦合金開式砂帶高效去除及參數化模型 51
3.1 面向砂帶磨削全生命周期的材料去除理論模型 51
3.2 基于正交實驗的鈦合金材料砂帶磨削參數化回歸模型 55
3.2.1 正交實驗參數化磨削實驗裝置及實驗方法 55
3.2.2 鈦合金砂帶磨削正交實驗分析 59
3.2.3 基于*小二乘法的多元線性回歸分析預測模型算法 62
3.2.4 鈦合金材料砂帶磨削參數化數學模型 64
3.3 磨削影響因素對鈦合金材料去除規律及其模型精度的影響分析 67
3.3.1 磨削工藝參數對鈦合金材料去除規律及其模型精度分析 67
3.3.2 磨削條件對鈦合金材料去除規律及其模型精度的影響分析 70
3.3.3 新型運動方式對鈦合金材料去除規律及其模型精度分析 72
3.4 本章小結 73
第4章 整體葉盤開式砂帶磨削工藝規劃研究 74
4.1 整體葉盤全型面砂帶磨削工藝分析 74
4.1.1 整體葉盤全型面砂帶磨削工藝方案 74
4.1.2 整體葉盤開式砂帶精密磨削控制原理 82
4.1.3 整體葉盤六軸聯動砂帶磨削原理 88
4.1.4 整體葉盤型面砂帶磨削*優接觸方法 90
4.2 整體葉盤砂帶磨削干涉形式及其特征分析 92
4.2.1 常規加工刀具干涉類型 92
4.2.2 整體葉盤結構干涉特性分析 94
4.2.3 整體葉盤曲面干涉特性分析 95
4.2.4 砂帶磨削進給運動干涉特性分析 97
4.3 整體葉盤六軸聯動無干涉砂帶磨削磨具矢量控制 99
4.3.1 自由曲面砂帶磨削過切干涉避免方法 99
4.3.2 型面砂帶磨削無干涉磨具矢量控制 100
4.3.3 邊緣砂帶磨削無干涉磨具矢量控制 102
4.3.4 葉根砂帶磨削無干涉磨具矢量控制 104
4.3.5 流道面砂帶磨削無干涉磨具矢量控制 105
4.4 本章小結 106
第5章 整體葉盤全型面數控砂帶磨削實驗 107
5.1 實驗裝置及實驗條件 107
5.2 整體葉盤砂帶磨削表面完整性分析 111
5.2.1 整體葉盤砂帶磨削表面粗糙度分析 111
5.2.2 整體葉盤砂帶磨削表面殘余應力分析 112
5.2.3 整體葉盤砂帶磨削表面形貌分析 114
5.3 整體葉盤砂帶磨削型面輪廓精度分析 115
5.3.1 整體葉盤葉身型面精度分析 116
5.3.2 整體葉盤進排氣邊緣精度分析 117
5.3.3 整體葉盤根部精度分析 119
5.4 整體葉盤砂帶磨削精度一致性分析 120
5.4.1 整體葉盤砂帶磨削精度一致性評價方法 120
5.4.2 砂帶磨削表面完整性精度一致性分析 121
5.4.3 砂帶磨削輪廓精度一致性分析 123
5.4.4 整體葉盤精度一致性綜合分析 125
5.5 本章小結 126
參考文獻 128
附圖 137
第1章 緒論 1
1.1 國內外整體葉盤拋光技術及裝備研究進展 4
1.1.1 整體葉盤磨料流拋光技術及裝備研究進展 4
1.1.2 整體葉盤電解精密加工技術研究進展 7
1.1.3 整體葉盤數控拋光技術及裝備研究進展 10
1.2 整體葉盤開式砂帶磨削方法研究進展 16
1.2.1 開式砂帶磨削方法研究進展 16
1.2.2 砂帶磨削材料去除模型研究進展 17
1.2.3 整體葉盤砂帶磨削無干涉規劃研究進展 19
1.2.4 目前研究存在的不足 19
第2章 開式砂帶高效磨削新方法研究 21
2.1 開式砂帶精密磨削新方法的提出及原理分析 21
2.1.1 基于單顆粒模型的砂帶磨削磨損分析 21
2.1.2 砂帶磨削磨料磨損基本規律分析 25
2.1.3 基于切削優化的開式砂帶高效磨削運動原理 28
2.2 開式砂帶精密磨削運動控制方程及其仿真 30
2.2.1 阿基米德螺旋運動原理 31
2.2.2 開式砂帶磨削更新運動分析 33
2.2.3 曲率往復更新串行復合運動分析 35
2.2.4 曲率往復更新并行復合運動分析 39
2.3 開式砂帶磨頭關鍵結構設計與磨頭調試 41
2.3.1 二次靜壓氣浮磨具設計與分析 41
2.3.2 開式砂帶輪系布局設計與分析 46
2.3.3 開式砂帶精密磨削新型磨頭調試 49
2.3.4 本章小結 50
第3章 鈦合金開式砂帶高效去除及參數化模型 51
3.1 面向砂帶磨削全生命周期的材料去除理論模型 51
3.2 基于正交實驗的鈦合金材料砂帶磨削參數化回歸模型 55
3.2.1 正交實驗參數化磨削實驗裝置及實驗方法 55
3.2.2 鈦合金砂帶磨削正交實驗分析 59
3.2.3 基于*小二乘法的多元線性回歸分析預測模型算法 62
3.2.4 鈦合金材料砂帶磨削參數化數學模型 64
3.3 磨削影響因素對鈦合金材料去除規律及其模型精度的影響分析 67
3.3.1 磨削工藝參數對鈦合金材料去除規律及其模型精度分析 67
3.3.2 磨削條件對鈦合金材料去除規律及其模型精度的影響分析 70
3.3.3 新型運動方式對鈦合金材料去除規律及其模型精度分析 72
3.4 本章小結 73
第4章 整體葉盤開式砂帶磨削工藝規劃研究 74
4.1 整體葉盤全型面砂帶磨削工藝分析 74
4.1.1 整體葉盤全型面砂帶磨削工藝方案 74
4.1.2 整體葉盤開式砂帶精密磨削控制原理 82
4.1.3 整體葉盤六軸聯動砂帶磨削原理 88
4.1.4 整體葉盤型面砂帶磨削*優接觸方法 90
4.2 整體葉盤砂帶磨削干涉形式及其特征分析 92
4.2.1 常規加工刀具干涉類型 92
4.2.2 整體葉盤結構干涉特性分析 94
4.2.3 整體葉盤曲面干涉特性分析 95
4.2.4 砂帶磨削進給運動干涉特性分析 97
4.3 整體葉盤六軸聯動無干涉砂帶磨削磨具矢量控制 99
4.3.1 自由曲面砂帶磨削過切干涉避免方法 99
4.3.2 型面砂帶磨削無干涉磨具矢量控制 100
4.3.3 邊緣砂帶磨削無干涉磨具矢量控制 102
4.3.4 葉根砂帶磨削無干涉磨具矢量控制 104
4.3.5 流道面砂帶磨削無干涉磨具矢量控制 105
4.4 本章小結 106
第5章 整體葉盤全型面數控砂帶磨削實驗 107
5.1 實驗裝置及實驗條件 107
5.2 整體葉盤砂帶磨削表面完整性分析 111
5.2.1 整體葉盤砂帶磨削表面粗糙度分析 111
5.2.2 整體葉盤砂帶磨削表面殘余應力分析 112
5.2.3 整體葉盤砂帶磨削表面形貌分析 114
5.3 整體葉盤砂帶磨削型面輪廓精度分析 115
5.3.1 整體葉盤葉身型面精度分析 116
5.3.2 整體葉盤進排氣邊緣精度分析 117
5.3.3 整體葉盤根部精度分析 119
5.4 整體葉盤砂帶磨削精度一致性分析 120
5.4.1 整體葉盤砂帶磨削精度一致性評價方法 120
5.4.2 砂帶磨削表面完整性精度一致性分析 121
5.4.3 砂帶磨削輪廓精度一致性分析 123
5.4.4 整體葉盤精度一致性綜合分析 125
5.5 本章小結 126
參考文獻 128
附圖 137
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整體葉盤型面開式砂帶精密磨削方法 節選
第1章 緒論 先進航空發動機是關系國家軍事安全、國民經濟發展的戰略性高科技產品，是現代工業技術皇冠上的明珠，如圖1.1所示。航空發動機制造能力是一個國家綜合實力的象征，能夠衡量一個國家綜合的研發、制造水平。高密度的航空發動機行業技術，擁有強大的軍民一體化特點，在全行業的經濟，軍事和政治價值極高。我國在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》中已經將大型飛機列為重大專項工程，而且要求配裝具有自主知識產權的高性能渦扇發動機，包括軍民兩用型大型發動機，這是必須實現的國家戰略目標。《中國制造2025》將航空航天裝備列為“大力推動重點領域突破發展”方向。同時，“十二五”以來，黨中央、國務院做出重大戰略決策，“下決心把航空發動機搞上去”，啟動“兩機”國家科技重大專項和航空發動機國家重大專項的論證與實施，并且在“十三五”規劃中將航空航天裝備列入高端裝備創新發展工程的首要位置。新一代大涵道比渦扇發動機市場巨大，經濟、軍用社會效益顯著，對國民經濟發展、國防建設和科技進步具有重大推動作用和戰略意義[1，2]。 圖1.1 某型號航空發動機剖視圖 航空發動機是飛機的“心臟”，其內部工作溫度高，轉子轉速高，高溫氣體產生的壓力大，內部構件的工作條件復雜且惡劣，機械負荷、熱負荷大，而且要求其使用壽命要足夠長，如圖1.2所示[3]。因此其研究和創新工作的難度極大，研制周期長，消耗費用高，它的主要研究內容包含了空氣動力學、材料工藝學、控制與測試等多門學科，是一個復雜的系統工程。航空制造領域目前認為，衡量航空渦輪發動機制造技術水平與其工作能力的一個重要指標是發動機的推重比[4，5]。先進的高推重比航空發動機的使用，使得戰斗機執行戰術時的機動性、短距起飛、超音速巡航等優異作戰性能得到了很大程度的提高。航空發動機制造技術的進步主要體現在如何提高推重比上，這已成為國家航空動力產業發展的主要目標。在諸多影響因素中，其中起到舉足輕重的作用的是航空發動機內部各級葉片的設計與加工工藝[6，7]。 圖1.2 航空發動機內部各級葉片 人們在探索如何提高飛機葉片型面精度的同時，又在考慮如何提高發動機葉盤的結構構造。20世紀80年代中期，在航空發動機結構設計方面，出現了一種被稱為“整體葉盤”（blisk）的結構，它是將葉片和輪盤作為一個整體，省去了連接用的榫頭、榫槽，使結構大為簡化，如圖1.3所示。首先，輪盤的輪緣處不需加工出安裝葉片的榫槽，因而輪緣的徑向尺寸可以大大減小，從而使轉子重量減輕，可以顯著提高發動機的推重比。其次，整體葉盤結構取消了葉片的鎖緊裝置結構，使得發動機零件數目大量減少，不僅使成本降低，而且有利于裝配和平衡， 圖1.3 Rolls-Royce整體葉盤及其局部特征 提高了發動機的可靠性，延長了轉子的壽命。另外，采用整體葉盤后氣流流道變得圓滑，消除了盤片分離結構中氣流在榫根與榫槽間隙中泄露所造成的損失，提高了氣動性能和工作效率，同時可以避免由于裝配不當或榫頭的磨蝕，特別是微動磨損、裂紋和鎖片損壞帶來的故障，從而減少維修次數和成本[8]。 隨著航空發動機涵道比、推重比及服役壽命要求的不斷提高，整體葉盤在氣動布局上采用了新的寬弦、彎掠葉片和窄流道等新技術，從而進一步提高了氣動效率。由于整體葉盤的這些特點，使其成為下一步發動機葉盤的發展趨勢，并將全面取代傳統的葉盤結構形式。美國國防部的綜合高性能渦輪發動機技術（integrated high performance turbine engine technologies， IHPTET） 計劃指出，到 2020 年，戰斗機上發動機的渦輪都將采用整體葉盤結構，由此可見，整體葉盤已經作為新型航空發動機的重大改進部件，不僅應用于在研型號，而且還將在未來高推重比發動機上廣泛應用，整體葉盤具有巨大的潛在市場需求[9]。 目前，國內外整體葉盤的主流粗加工工藝包括：一是通過粗銑/電化學加工工藝去掉大部分材料；二是采用焊接的方式連接葉盤與葉片。而整體葉盤的精密加工主要還是通過數控精密銑削加工來保障型面精度要求[10]。但是由于整體葉盤的葉片型面均為自由曲面，在采用球頭銑刀行切加工后，型面表面依然存在波峰波谷殘留切削刀痕，且由于刀具在行切平面內運動，運動軌跡曲線曲率不同和定位等原因，也會導致行間的殘留高度相差較大。而設計要求在進排氣緣附近不允許有橫向加工痕跡，葉尖端面和圓角不允許有葉盆到葉背方向的紋理，因為刀痕對發動機質量和性能有直接影響，甚至會因表面質量缺陷導致葉盤在運行時爆裂的嚴重事故。國內外的研究表明，整體葉盤在加工過程中存在著一些不足之處： （1）銑削加工后，殘留高度相差較大，表面質量一致性差，存在嚴重的銑削缺陷，導致整個流道型面和葉片型面的表面質量達不到設計要求。 （2）銑削過程中刀具與切屑之間以及刀具與工件之間的接觸區產生很高的切削溫度和接觸壓力，工件表面產生擠壓、撕裂，從而在加工表面形成微裂紋，會直接影響整體葉盤的氣流動力性和使用性能。 通過對整體葉盤的失效現象進行綜合分析和反復驗證研究表明，葉盤失效的根源主要是零件已加工表面層的狀態不良[11]。據統計，80%的航空發動機復雜曲面零部件疲勞失效源于表面質量不能滿足要求，同時航空發動機臺架實驗證明，經過高精度的磨削加工以后，航空發動機的氣流動力性能可以明顯提高1%～2%。因此，整體葉盤在銑削加工后，必須對流道型面及葉片型面進行拋磨加工，使各曲面之間轉接平滑、圓順，提高表面質量完整性、增強其疲勞強度，保證整機使用性能和壽命。 目前國內外整體葉盤的表面磨削拋光工作大多數仍處于手工打磨階段。人工拋光不僅勞動強度大、效率低，而且拋光表面易燒傷，型面精度和表面完整性難以保證，導致葉盤可靠性降低。同時，受到工人技術等級和熟練程度的影響，加工質量不穩定，嚴重影響著航空發動機的使用性能、安全可靠性以及生產周期[12]。 由此可見，現有整體葉盤手工拋光方法已不適應航空發動機批量化生產需求，而后期磨削拋光技術與裝備已經在某種程度上制約了我國航空發動機整體水平提升，必須研制專用的整體葉盤數控拋光機床。而且由于國外相關企業以及研究機構對有關于航空發動機整體葉盤葉片型面拋光關鍵技術及加工工藝對外都是絕對保密，因此獨立開展航空發動機整體葉盤數控拋光技術研究，實現整體葉盤復雜型面的高效自動化精密拋光，提高整體葉盤型面幾何精度以及表面完整性，對于提高整體葉盤的加工能力水平具有重要的意義。 1.1 國內外整體葉盤拋光技術及裝備研究進展 1.1.1 整體葉盤磨料流拋光技術及裝備研究進展 磨料流加工（abrasive flow machining， AFM）是美國于20世紀70年代發展起來的一種表面光整加工新工藝，*早是由美國的Extrude Home公司開發出來的，具有工裝簡單、加工變形小、精度高等特點，專門用于航空航天領域合金零件表面處理工藝的加工[13]。其工作原理如圖1.4所示，該方法是將含有磨料、具有黏彈性、柔軟性和切削性的磨流介質等在擠壓力的作用下形成一個半固態、可流動的“擠壓塊”，并通過高速往復運動流過欲加工表面從而產生磨削作用的加工方法[14]。 圖1.4 磨料流加工示意圖[14] 美國Dynatics公司為美國某航天發動機數控銑削加工后的整體葉盤表面做磨料流拋光，避免了以往加工中產生的裂紋以及表面殘余應力，解決了整體葉盤高速旋轉過程中常產生的斷裂問題[15]。美國通用電氣公司T700發動機I級壓氣機葉盤，材料為AM355不銹鋼，手工拋光單件工時為40h，而在數控銑削加工后再使用磨料流加工方法，單件工時1 h，且質量和精度大幅度提高，表面粗糙度從2.0μm降到0.8μm，葉型精度公差為+0.10～+0.08 mm，大大提高了葉盤的生產效率和生產質量[16，17]。Williams等[18，19]通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察磨料流加工后的表面效果，得到了不同方法的加工表面再經磨料流加工后的對比結果，認為初始表面和磨料濃度對加工表面的粗糙度有重要影響。同時，法國SNECMA公司提出了磨料流整體葉盤單個葉片的拋光，并且將磨料流用于整體葉盤銑削前的粗加工、精銑前的加工以及精銑后的加工[20-23]。 中國*初在1983年引進磨料流光整技術，從那時開始引進加工技術和設備，且主要是作為進口成套設備的配套設備引進的，首先在航空部門得到應用。經過幾年的研究，大連理工大學高航等建立了整體葉盤磨料流拋光加工實驗平臺，如圖1.5所示，并在此基礎上進行了磨料流加工模擬分析及可行性研究[24，25]。劉向東等[26]進行了整體葉盤流道的磨料流拋光試驗研究，表面粗糙度達到0.14～0.45μm，且壓縮機的效率可以提高1%。為了提升整體葉盤磨料流拋光質量，沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司提出了一種被加工工件在自轉的同時繞旋轉工作平臺的旋轉軸公轉的整體葉盤雙驅動軸復合自動光整加工方法[27]。西北工業大學的藺小軍等[28]提出了一種整體葉盤磨料流拋光用夾具，以實現正確引導磨料流動，提高夾具的氣密性。北京航空工藝研究所在磨料流拋光技術方面取得較大進展，并將其應用于發動機離心葉盤和鈦合金整體葉盤葉片的型面拋光，在某型發動機研制中，采用磨料流工藝進行了前置擴壓器葉片型面拋光實驗，實現了葉片腐蝕層的均勻去除，改善了零件抗疲勞性能[14]。 圖1.5 整體葉盤磨料流拋光工作示意圖[24] 此外，遼寧科技大學陳燕等提出采用磁力研磨方法對整體葉盤進行拋光，并對其拋光工藝、表面完整性等進行了研究，結果表明整體葉盤經磁力研磨加工后原有的銑削加工紋理被有效去除，表面粗糙度由研磨前的0.82μm降低至0.25μm[29-32]，其拋光示意圖如圖1.6所示，其中圖1.6（a）為裝置系統示意圖，圖1.6（b）為整體葉盤現場拋光示意圖。北京航空航天大學的Li等[33]設計了CBN電鍍砂輪，并進行了GH4169整體葉盤CBN電鍍砂輪數控拋光實驗，結果表明該方法可以使磨削精度提高50%，如圖1.6和圖1.7所示。 圖1.6 磁力研磨加工原理[29] 圖1.7 整體葉盤CBN砂輪加工原理[33] 通過上述文獻的分析可以看出，整體葉盤磨料流拋光技術及裝備的研究在國外已經比較成熟并應用于發動機整體葉盤的拋光加工。目前，國內整體葉盤磨料流拋光表面粗糙度達到0.2～0.4μm，拋光效率累計7～8h/個。但是由于技術起步較晚，工藝缺乏更深入的研究，對于磨料流拋光中的夾具與流道設計等關鍵技術，還需要在實踐中進行不斷地摸索和完善。目前，整體葉盤磨料流拋光技術及裝備在國內仍處于研發階段。
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