基于非平稳高斯过程的叶栅加工误差不确定性量化

基于非平稳高斯过程描述叶片加工误差，结合Karhunen-Loeve展开方法，建立了由于加工误差导致的叶片型线几何不确定性表征模型。耦合非嵌入式多项式混沌展开、稀疏网格技术与Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)方程求解技术，提出了叶栅加工误差不确定性量化方法，研究量化了加工误差所导致的叶型几何不确定性对典型高负荷Pak-B叶栅气动性能的影响。结果表明，在加工误差影响下，叶片负荷相对于设计值变化[±1%]以上的概率为0.56，总压恢复系数相对于设计值降低1%以上的概率为0.12。详细气动分析表明，斜切部分和尾缘的加工制造精度对Pak-B叶栅气动性能影响显著，相应位置的加工误差应严格控制。     

加工误差对压气机叶片气动性能影响试验研究

压气机叶片在加工过程中不可避免的会产生一定的加工误差。为了研究加工误差对压气机叶片气动性能的影响，设计并加工了4套平面叶栅用于模拟加工中常见的前缘及轮廓误差，并通过平面叶栅吹风试验获取误差影响规律。研究结果表明，前缘形状误差及正轮廓误差使得性能下降，前者使得叶型损失最高增加了23.4%而后者使得叶型损失最高增加了40.1%；此外负轮廓误差使得叶型性能有所提高，最高使得叶型损失降低16.6%。对应的影响规律可以用于提供合理的加工技术要求及制定合理的叶片检测标准。     

面向性能的压气机叶片铣削加工误差分析及统计

为提高航空发动机压气机叶片的加工质量,对其铣削加工中的质量影响因素进行了分析,包括加工前工艺规划及几何造型等因素、加工过程中变形与稳定性等问题以及加工后的残余应力变形等。针对必然存在的加工误差,提出了一种概率统计方法,并在此基础上对于影响气动性能的叶型关键几何区域,建立了有关轮廓误差和叶型参数误差的统计分析方法。借助于气动性能试验,获得了稳定工况下关键参数的误差分布,从而为指导叶片的实际铣削加工提供了理论依据。     

叶片加工误差对压气机叶栅气动性能的影响

压气机叶片在加工过程中会造成加工成型的叶片与设计者的初衷有一定的偏差。为了获知偏差对叶片气动性能的影响,结合我国现有的叶片检测方法,采用单因素法数值研究了叶片扭转、轮廓度、前后缘半径、前后缘形状及弦长误差对叶片气动性能的影响规律。研究结果表明,不同位置、不同大小的误差对性能影响不一,其中叶型扭转、轮廓度及前缘(半径、形状)误差是影响性能的主要参数,而尾缘(半径、形状)误差对性能影响不明显。其中0.5°的扭转误差会恶化性能高达46.56%,0.1mm的轮廓误差最高恶化性能达20.40%。所获得的误差影响规律可以用于提供合理的加工技术要求及制定叶片质量评判标准。     

高压压气机出口级叶型加工偏差特征及其影响

以高压压气机出口级叶片叶中截面作为研究对象,获得了实际压气机叶片加工偏差的分布特征,并分析了实际加工偏差对叶型气动性能的影响。以此为基础,研究了加工偏差对叶型性能的影响机理。研究结果表明,实际叶型加工偏差存在一定的系统性偏差,从而导致实际叶型气动性能的平均值偏离设计值。叶型偏差对叶型气动性能的影响存在一定的非线性效应,这在前缘区域更为明显,从而导致了平均叶型的气动性能与实际叶型平均性能出现了明显偏差。前缘附近的几何偏差对吸力面和压力面的速度峰值有较大的影响,因此前缘附近的偏差是使叶型的气动性能产生系统性偏差和增大不确定度的主要因素。根据对流动机理的分析,进口几何角偏差是导致叶型性能出现系统性偏差的主要原因;可以近似用均匀偏差来估计叶身加工偏差对正负攻角范围和损失的影响。     

超声速来流基元叶型前缘加工误差气动敏感性分析

为研究叶型前缘加工误差对叶栅气动性能敏感性,以NASA Rotor 67转子70%叶高截面基元级叶型为研究对象,选择Clamped型非均匀B样条曲线实现叶型前缘数学描述。采用单因素法建立叶型前缘加工误差模型,提炼出叶片弦长误差、前缘轮廓度误差、几何进气角误差三个误差模型;随后结合L9(34)正交实验及数值模拟方法研究超声速来流条件下三维直列叶栅不同前缘误差类型对叶栅气动性能的敏感性。正交实验极差分析及显著性分析均表明:前缘轮廓度误差FP是影响叶栅气动性能的主要影响因素(75%以上可能性),叶栅性能随前缘轮廓度增加呈现恶化趋势,即叶型前缘越厚,叶栅总压损失越大,扩压能力越小。进一步分析轮廓度误差对叶栅性能影响机制得出:激波损失是叶栅性能随轮廓度误差加大而恶化的重要原因。     

整级环境下涡轮叶片型面加工几何偏差影响的不确定性分析

加工等过程中产生的几何偏差会导致涡轮叶片气动性能及工作状态发生显著变化,对该影响的准确评估与合理分析具有重要意义.本文提出了一种考虑三维型面几何偏差对气动性能影响的不确定性计算分析方法,包括随机叶型几何建模、不确定性量化计算和敏感性分析等,并结合某一单级高压涡轮进行分析.基于随机过程理论和主成分分析法,参考现有叶片加工...     

转子叶片加工误差对1.5级跨声速压气机气动性能的影响

压气机叶片加工误差不可避免,将在一定程度上影响压气机的气动性能。为研究叶片加工误差对跨声速压气机气动性能的影响,以燃气轮机进口1.5级跨声速压气机为对象,通过三坐标测量跨声速转子叶片叶型数据,获得了加工误差分布特征;针对实测转子叶片,采用三维CFD数值模拟方法,研究了轮廓度、位置度和扭转角综合误差对压气机转子和级特性线和流场参数的影响;针对转子叶型以轮廓度超差为主的特点,采用S2流面通流计算方法,在设计流量点研究了由轮廓度误差引起的转子叶型最大厚度变化对压气机转子和级性能的影响。结果表明,转子叶片加工误差对压气机堵塞流量、全流量范围内转子和级的压比和效率均有影响,同时改变转静子叶片排出口气流参数的径向分布规律,主要原因为激波位置和强度的变化;在设计流量点,转子和级的压比和效率的变化与最大厚度变化呈负相关趋势,厚度偏差越大性能变化幅度越大;对转子叶片,来流相对马赫数随叶片高度增加而增大,性能对叶型几何误差的敏感性增强,综合压比和效率的变化,中上部叶高范围的轮廓度公差要求应更严格。     

加工误差对2 维叶型损失系数影响的数值分析

叶片加工时由于公差和误差等原因其形状和尺寸往往会偏离设计状态,由此对叶片的气动性能造成严重影响。为了找到其中的规律,发展了1套简便可行的误差函数,在此基础上得到考虑了加工误差后的实际叶型。通过数值模拟得到了实际叶型的气动性能,并对其进行统计分析,验证了所采用的误差函数是可行的。计算了实际叶型的设计参数(如弦长、前尾缘半径、进出口金属角、最大厚度及其位置等),发现最大厚度和前缘半径的变化是导致实际叶型气动性能发生变化的最重要原因。在不同公差下,计算得到最小损失系数的概率密度函数,结合不同设计对叶型气动性能的不同要求,可用于评估设计和选取性价比最高的加工方式。     

叶顶间隙偏差对叶片气动性能影响的不确定性研究

在压气机叶片加工过程中，实际加工得到的叶片外形与设计叶型不可避免会存在一些偏差。为研究叶片叶顶间隙尺寸波动对性能的影响，以Rotor37为研究对象，采用三维定常数值模拟方法，基于非嵌入式混沌多项式中二维正态分布变量产生方法，分别对叶片前缘叶顶间隙和尾缘叶顶间隙进行尺寸波动干扰，研究了叶顶间隙不确定性对气动性能和流场的不确定性影响，评估了公差带内叶顶间隙偏差与气动性能变化的相关性，并探究了叶顶间隙变化对叶片稳定裕度的影响机理。研究发现，叶顶间隙偏差对等背压条件下叶片质量流量、等熵效率和总压比的平均水平几乎不会造成影响；叶顶间隙偏差所造成的气动性能分布标准差随工况点向不稳定边界的逼近而逐渐增大。同时，叶顶间隙不确定性会导致样本稳定裕度均值有所降低，不确定性分析中稳定裕度均值相对原型叶片下降了2.42%。流场结构方面，叶顶间隙偏差主要影响80%叶高以上部分流场；叶顶间隙偏差对叶顶区域泄漏流产生的影响，导致了叶片稳定裕度的变化。     

端点误差控制刀位算法的改进

 对端点误差控制数控加工刀位算法进行了改进：采用2个端点间偏置距离代替它们的参数差值用于衡量加工带宽和进行加工误差控制，提出了一种新的采用循环迭代计算刀具旋转角度的方法，并给出了格点法对偏置方向角进行优化的过程；使得算法不受具体的曲面参数化方式影响，简化了刀具定位时计算量，刀位得到了充分的优化。利用UG二次开发技术进行的实例计算表明：设置走刀方向沿着曲面的最小主曲率方向比沿着曲面的最大主曲率方向加工带宽更宽，前者应该是该算法的最优走刀方向，而且沿着最优方向走刀的优化刀位和多点切触加工算法得到的加工刀位一致,该算法也比多点切触加工算法有更大的适应性。     

Machining Error Control by Integrating Multivariate Statistical Process Control and Stream of Variations Methodology

For aircraft manufacturing industries, the analyses and prediction of part machining error during machining process are very important to control and improve part machining quality. In order to effectively control machining error, the method of integrating multivariate statistical process control (MSPC) and stream of variations (SoV) is proposed. Firstly, machining error is modeled by multi-operation approaches for part machining process. SoV is adopted to establish the mathematic model of the relationship between the error of upstream operations and the error of downstream operations. Here error sources not only include the influence of upstream operations but also include many of other error sources. The standard model and the predicted model about SoV are built respectively by whether the operation is done or not to satisfy different requests during part machining process. Secondly, the method of one-step ahead forecast error (OSFE) is used to eliminate autocorrelativity of the sample data from the SoV model, and the T2 control chart in MSPC is built to realize machining error detection according to the data characteristics of the above error model, which can judge whether the operation is out of control or not. If it is, then feedback is sent to the operations. The error model is modified by adjusting the operation out of control, and continually it is used to monitor operations. Finally, a machining instance containing two operations demonstrates the effectiveness of the machining error control method presented in this paper.     

基于最小加工表面裂纹的TiAl合金铣削参数优化

TiAl合金以其优异的性能被广泛应用于航空、航天制造领域,但由于TiAl合金自身的物理、化学特性,导致其切削性能较差,加工过程中容易出现工件表面烧伤、表面微裂纹等问题。为了研究TiAl合金铣削加工过程中切削工艺参数对加工表面裂纹的影响规律,设计了TiAl合金切削参数与加工表面裂纹之间的正交试验。结果表明:切削速度对TiAl合金铣削表面裂纹的影响最大,其次是切削深度和切削宽度,每齿进给量对表面裂纹的影响最小。基于遗传算法,以表面裂纹长度为目标函数,优化得到的最优参数组合为:ae=0. 2 mm、ap=0. 2003 mm/z、fz=0. 02001 mm/z、vc=20. 0004 m/min。采用优化后的参数铣削TiAl合金,发现工件表面的实际加工裂纹长度和经过算法优化的裂纹长度相差较小,该优化方法可行性较高,误差较小。     

GFRP铣槽加工铣削力及表面粗糙度研究

铣槽是复合材料较常用的机械加工形式之一。为研究玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)铣槽加工中各加工参数对铣削力和表面粗糙度的影响,开展了以主轴转速、进给速度和轴向切深为因素的正交试验,研究铣削力和表面粗糙度的变化规律。并用Matlab软件对铣削力和表面粗糙度的试验数据进行回归分析,建立了铣削力和粗糙度的经验公式,最后通过试验验证铣削力和表面粗糙度经验公式的正确性。结果表明:轴向切深对铣削力影响最大,其次是主轴转速,进给速度对铣削力影响最小;主轴转速对粗糙度的影响最大,其次是进给速度,轴向切深对粗糙度的影响最小。试验结果与铣削力、表面粗糙度经验公式算得的数值对比,误差范围都在20%以内。     

叶片加工误差对压气机性能的影响

在压气机三维动叶片结构参数中,叶型的前缘角、后缘角、前后缘形状、弦长、厚度、不同叶高位置这6个典型参数同时受加工误差影响,对压气机性能影响较大。为找出叶片加工误差对压气机性能的影响规律,对某跨声速压气机转子叶片的加工误差进行了研究,针对加工误差引起的上述6个典型结构参数变化,归纳出3个加工水平,并采用正交实验法设计出27个样本,通过数值计算对所有样本的性能进行对比分析。结果表明这6个典型结构参数的加工误差综合作用对压气机的总压比、效率、流量影响较大,增加的最大量分别为2.02%、1.47%、1.87%,减小的最大量分别为-0.87%、-1.42%、-0.88%,极差分析表明影响效率的主要参数为前缘角误差、厚度误差,影响总压比的主要参数为前后缘形状、厚度误差、不同叶高位置,影响流量的主要参数为前缘角误差、前后缘形状,回归线性分析证实压气机效率、流量的变化与上述典型参数的加工误差综合作用成线性关系。     

Elliptical vibration cutting of large-size thin-walled curved surface parts of pure iron by using diamond tool with active cutting edge shift

Large-size thin-walled curved surface parts of pure iron are crucial in aerospace, national defense, energy and precision physical experiments. However, the high machining accuracy and surface quality are difficult to achieve due to the serious tool wear and deformation when machining the parts with conventional cutting tools. In this paper, an elliptical vibration cutting (EVC) with active cutting edge shift (ACES) based on a long arbor vibration device is proposed for ultra-precision machining the pure iron parts by using diamond tool. Compared with cutting at a fixed cutting edge, the influence of ACES on the EVC was analyzed. Experiments in EVC of pure iron with ACES were conducted. The evolutions of the surface roughness, surface topography, and chip morphology with tool wear in EVC with ACES are revealed. The reasonable parameters of ultra-precision machining the pure iron parts by EVC with ACES were determined. It shows that the ACES has a slight influence on the machined surface roughness and surface topography. The diamond tool life can be significantly prolonged in EVC of pure iron with ACES than that with a fixed cutting edge, so that high profile accuracy and surface quality could be obtained even at higher nominal cutting speed. A typical thin-walled curved surface pure iron part with diameter ∅240 mm, height 122 mm, and wall thickness 2 mm was fabricated by the presented method, and its profile error and surface roughness achieved PV 2.2 μm and Ra less than 50 nm, respectively.     

考虑表面加工状态的粉末盘低循环疲劳寿命分析

分析了表面加工状态对疲劳性能的影响,建立了基于Manson Coffin公式考虑表面加工状态的低循环疲劳寿命分析方法。分析不考虑与考虑表面加工状态某FGH96粉末合金盘的低循环疲劳寿命,分析结果表明:表面加工状态对低循环疲劳寿命的影响程度为30%～40%。完成了某FGH96粉末合金盘的低循环疲劳寿命试验,试验结果表明:不考虑表面加工状态的预测寿命分散度大,考虑表面加工状态的预测寿命分散度小。      

伺服加工平台的综合误差建模与补偿

伺服加工平台的几何误差是影响工件加工形貌精度的重要因素。在多体系统理论的基础上,首先,运用低序体阵列描述伺服平台多体系统的拓扑结构,建立各相邻体间的齐次变换矩阵,构建其综合误差模型;其次,利用雷尼绍测量系统对平台的定位误差、直线度误差、俯仰误差、偏摆误差以及两轴之间的垂直度误差进行辨识,将辨识得到的误差值代入构建的模型得出平台几何综合误差;最后,选择凸锥面、平面、球面3种面型工件补偿试验,对误差模型进行原理性验证。研究表明,经补偿后加工所得3种面型工件表面精度均提高了25%左右,证实了提出的补偿方法可用于伺服加工平台几何误差控制。     

Multi-parameter optimization of machining impeller surface based on the on-machine measuring technique

Selecting the optimal machining parameters for impeller surface is a challenging task in the automatic manufacturing industry, due to its free-form surface and deep-crooked flow channel. Existing experimental methods require lots of machining experiments and off-line tests, which may lead to high machining cost and low efficiency. This paper proposes a novel method of machining parameters optimization for an impeller based on the on-machine measuring technique. The absolute average error and standard deviation of the measured points are used to define the grey relational grade for reconstructing the objective function, and the complex problem of multi-objective optimization is simplified into a problem of single-objective optimization. Then, by comparing the values of the defined grey relational grade in a designed orthogonal experiment, the optimal combination of the machining parameters is obtained. The experiment-solving process of the objective function corresponds to the minimization of the used errors, which is advantageous to reducing the machining error. The proposed method is efficient and low-cost, since it does not require re-clamping the workpiece for off-line tests. Its effectiveness is verified by an on-machine inspection experiment of the impeller blade.