航空发动机整体叶轮加工与修复关键技术研究

【类型】学位论文

【作者】李湉 

【关键词】 整体叶轮 加工 五轴 加工工艺 刀位生成 变形 叶轮修复

【摘要】整体叶轮作为新型发动机的关键部件，其制造加工工艺水平一直是发动机制造行业中的一个重要课题。本文系统的研究了航空发动机整体叶轮的数控加工工艺体系，并对航空发动机整体叶轮的修复工艺进行了初步的研究。对现有的航空发动机整体叶轮加工工艺与其相关技术进行了理论上的分析和完善，并将部分研究成果应用于航空发动机整体叶轮的实际加工试验中，主要内容包括以下几点：通过研究分析整体叶轮加工基本条件、误差条件、干涉条件、刀轨连续性光顺性条件及铣削力约束条件，整理归纳出整体叶轮数控加工全局数学优化模型；提出基于加工特征的整体叶轮加工模块分类方法及其相对应的整体叶轮加工工艺设计流程。提出了对整体叶轮工艺中各个程序环节进行优劣性分析的整体叶轮加工程序几何仿真评价理论及选择准则，可实现对已得到的刀轨进行对比选择。进一步优化整体叶轮全局加工工艺。针对激光熔覆沉积整体叶轮毛坯的特殊性，应用基于加工特征的整体叶轮加工工艺设计流程及刀轨评价模型对某型航空发动机转子的激光熔覆沉积整体叶轮毛坯进行了加工工艺编制，并通过工程试验加工得到试验结果验证。以整体叶轮高效开粗加工为目标，提出了一种新的基于最小二乘原则的整体叶轮插铣开粗算法，对其关键刀位确定及刀轨排布给出了较为详尽的计算与推导。并基于参数辨识试验建立了插铣工艺的铣削力模型，比较了插铣算法与常规侧铣算法的铣削力差别。最后通过整体叶轮粗加工过程数字仿真与其在整体叶轮五轴数控工艺过程中的工程应用，验证了整套插铣工艺及算法的可行性及加工高效性。以整体叶轮高效精加工为目标，提出了一种适用于整体叶轮叶片区域与叶根圆角过渡区域高效加工的鼓形球头复合（BBM）刀具，对其尺寸参数确定，刀具位姿计算给出了较为详尽的计算与推导，并对所得到的刀位以加工带宽的最大化为优化目标进行优化调整从而得到效率更高的加工刀轨。通过对整体叶轮叶片仿真加工计算，验证了BBM刀具及相关算法的可行性。依据整体叶轮加工系统的铣削力约束条件，通过仿真计算与试验辨识相结合的方式对整体叶轮叶片特征与小直径刀具弱刚性系统变形耦合及动态性能进行了分析研究，并根据理论分析结果提出了对整体叶轮加工参数的预测约束。对五轴数控加工机床的空间构型进行了较为系统的分类，并对各种构型五坐标加工机床空间坐标变换关系进行了推导，最后提出了整体叶轮构型与五轴加工机床选择的定性分析。通过对整体叶轮修复工艺的初步研究，提出整体叶轮修复工艺流程，并给出整体叶轮修复区域分类方法。并就整体叶轮逆向模型求解以及整体叶轮变形位移载荷求解提出了相应的理论计算方法。

【学位名称】博士

【学位授予单位】北京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】陈五一

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