航空发动机叶片加工变形控制技术研究现状

叶片的加工精度及其稳定性对航空发动机的性能有直接的影响,然而,其加工难度较大,型面轮廓精度和表面质量很难稳定地达到设计要求。为此,国内外研究者提出了许多叶片加工变形的控制方法。在深入分析叶片变形形成机理的基础上,对现有的叶片加工变形控制方法进行分类总结和分析,阐述了不同叶片变形控制方法的原理和特点。同时,结合目前叶片的结构特点、材料特性和主要加工工艺难题指出,控制叶片型面的加工残余应力变形是实现20μm级叶片型面加工精度的关键,并且指出利用超硬砂轮悬臂高速磨削加工是实现中小型叶片型面综合变形控制的有效方法之一。     

GH4169叶片悬臂插磨表面完整性及参数优化研究

利用超硬磨料砂轮进行GH4169叶片型面的精密磨削加工是提高其几何精度的有效手段.通过对GH4169材料进行悬臂插磨试验发现在精磨参数下磨削表面硬度在44～47HRC之间,叶片表面双方向均获得较大的残余压应力,进给方向上的残余压应力大于线速度方向上的残余压应力,且磨削参数对磨削表面硬度和残余压应力的影响不显著.在此基础上,基于磨削表面粗糙度小于Ra0.5μm的要求,提出叶片插磨的参数优化原则,为了降低磨削粗糙度推荐插磨参数:砂轮线速度26.8m/s,进给速度1000mm/min,型面磨削残高2μm;为了减小磨削力引起叶片的弹性变形所造成的加工误差,推荐磨削深度为0.005mm.在推荐参数下所加工叶片的形状精度可达到20μm以内,磨削表面以下没有明显的拉应力层,压应力层深度约为70μm,最大残余压应力位于表面下5μm处.以上研究为GH4169叶片的悬臂插磨工艺提供了一种基于表面完整性的参数优化方法和一组经过优化的精磨参数.     

整体叶盘超硬磨料砂轮数控磨削加工技术

针对航空发动机整体叶盘进排气边曲率半径小、材料加工难度大、工具磨损快、编程难度大、加工周期长和容易产生加工变形等问题,对多种整体叶盘的磨削加工技术进行了系统的研究,总结了一系列整体叶盘的CBN砂轮数控磨削加工技术,开发了专用的整体叶盘编程模块。利用鼓形砂轮插磨方法和宽行周磨方法实现了整体叶盘叶片的全型面高精度磨削,加工面轮廓精度提高到15-20μm,最小进排气边圆弧半径达到28.7μm。利用几何自适应磨削加工方法实现整体叶盘进排气边的局部磨削加工,接刀痕迹低于10μm。提出了整体叶盘的三轴圆柱坐标磨削方法和圆周阵列磨削方法,可望将叶片长度不大于60mm整体叶盘的加工时间从数十乃至数百小时缩短到3h以内。     

面向全型面精加工的整体叶盘铣磨组合加工技术研究

整体叶盘由多个叶片呈圆周阵列布置在轮毂上,由于叶身型面为弱刚性零件,精加工时刀具磨损、颤振及让刀变形较为严重,影响了加工质量的进一步提高。提出一种面向全型面精加工的整体叶盘铣磨组合加工工艺,叶片型面采用磨削加工工艺,叶根、流道区域采用铣削加工工艺,通过控制磨削与铣削刀轨重叠区域的接刀误差实现叶盘全型面加工。试验结果表明,铣磨组合加工工艺表现出较好的加工质量,接刀误差控制在0.01 mm以内,轮廓误差小于0.04 mm,并通过加工试验验证了多主轴阵列加工的可行性,在保证加工质量的同时可大幅度提升加工效率。     

双臂自适应夹具加工变形控制方法

在叶片加工过程中,由于叶片的薄壁和曲率多变特点,易受装夹、切削力和残余应力的影响而产生弯曲、扭转变形。针对该问题,本文提出了一种双臂自适应夹具加工变形控制方法,将加工过程中产生的变形逐层消除。首先,对叶片的变形成因进行分析;然后,通过对无应力装夹和加工应力释放原理进行研究,设计了一种可提供6个自由度的自适应装夹机构,并对该机构进行了工程设计和机构分析;最后,基于这种6自由度双臂自适应装夹机构,形成了本文提出的加工变形控制工艺,不需多次修复基准和更换机床,就可以逐层消除新产生的变形。实验结果表明,采用双臂夹具自适应加工变形控制方法,可以有效控制叶片加工过程中产生的变形,使叶片的轮廓误差降为原来的50%,提高了其加工精度。     

GH710整体叶盘叶片型面磨削加工技术研究

GH710材料强度高、耐热性好,但切削加工性极差,导致GH710整体叶盘叶片型面的轮廓精度极难保证。根据GH710整体叶盘的加工特点,研制了专用CBN电镀砂轮,在磨削参数和工艺方法优选的基础上,实现了GH710整体叶盘叶片型面的精密磨削加工,并完成磨削应用验证试验。结果表明,利用电镀CBN砂轮磨削加工技术和对称插磨工艺可以实现GH710整体叶盘叶片型面的精密磨削加工,叶片型面的整体轮廓误差小于0.04mm,且砂轮使用寿命和磨削效率能够满足生产需要。     

单层钎焊CBN成型砂轮加工钛合金的尺寸精度和表面完整性(英文)

采用单层钎焊CBN成型砂轮进行钛合金榫头磨削试验。测定了试样尺寸精度,结果表明其达到了航空发动机叶片榫头的加工要求。同时,测定了试样的表面残余应力,表面粗糙度,微观组织和显微硬度,并和陶瓷结合剂CBN成型砂轮加工试样进行对比。在所采用的试验条件下,所有试样获得的都是表面残余压应力,表面加工影响区小于40μm。虽然能从试样表层晶粒的细化观测到塑性变形,但是在距表面100μm范围内未观测到相变发生。相比于陶瓷结合剂CBN成型砂轮,单层钎焊CBN成型砂轮加工试样的表面残余应力和加工硬化程度更小。所有试样的表面粗糙度都在0.8μm以下。     

航空发动机叶片精密自适应砂带磨削技术及试验研究

叶片的型面精度和表面完整性直接制约着航空发动机的工作性能及使用寿命。由于叶片具有薄壁易变形、材料难加工及砂带磨削柔性接触等特征而难以实现精密磨削,由此提出了一种基于检测—加工一体化的自适应砂带磨削加工方法。首先根据叶片结构特点,设计了边缘磨削工位磨头和圆角磨削工位磨头,分别用于磨削叶片型面及进排气边缘、阻尼台及根部转角等部位;其次基于模型重构的几何误差进行了自适应软件的研制;最后通过双工位集成的七轴联动数控砂带磨削中心进行了叶片磨削试验。试验结果表明,磨削后的叶片表面粗糙度Ra≤0.4μm,加工误差保持在±0.05mm范围内,叶片型面磨削加工周期仅为3.5h,满足叶片加工要求。因此,自适应砂带磨削技术是实现叶片精密磨削加工的有效技术手段。     

随形固定自适应夹具加工变形控制方法

叶片的加工精度及其稳定性对航空发动机的性能有直接的影响,由于叶片的薄壁和曲率多变特点,易受装夹、切削力和残余应力的影响而产生弯曲、扭转变形。针对该问题,本文提出了一种随形固定自适应夹具加工变形控制方法,可以将叶片无应力装夹,并将加工过程中产生的变形逐层消除。实验结果表明,采用随性固定自适应夹具加工变形控制方法,可以有效控制叶片加工过程中产生的变形,提高加工精度。     

提高电火花线切割加工精度点滴

本文介绍了提高电火花线切割加工精度的几条措施:提高机床刚度,采用精加工电源、减少机床热变形,消除加工过程中零件残余应力以及微机控制系统等。     

残余应力对加工变形影响的分析与模拟

为了研究材料去除过程中残余应力的重新分布及该过程所引起的工件变形,假设在该过程中没有引入另外的应力,采用理论计算和有限元模拟的方法对含有已知单向应力情况的矩形板进行了求解,计算了在剥层过程中的曲率、挠度和残余应力,并分析了剩余部分的残余应力变化趋势。结果表明理论解与有限元解获得了极好的吻合。采用有限元法进一步研究了材料去除过程中,单向和双向残余应力对加工变形的影响以及最终残余应力分布规律的异同。     

GH4169高温合金端面车削表面变质层的形成机理

利用实验和DEFORM-3D有限元分析相结合的方法,通过分析不同加工参数下切削力、温度和应变场,以及残余应力、显微硬度、微观组织的变化,研究GH4169端面车削表面变质层的形成机理。结果表明:表面变质层的形成是热力耦合作用于材料微观组织的结果;加工强度增大,切削力和切削热增大,表层金属等效应变增大,塑性变形更加显著,金相组织改变越明显,晶粒变形程度越大;在加工参数范围内,温度影响层深度为130~200μm,等效应变层深度为100~220μm,残余应力层为80~110μm,硬化层深度为50~80μm,表面变质层深度为2.5~5μm。     

非球面模芯ELID磨削技术研究

采用铸铁结合剂、CBN砂轮,利用ELID磨削加工技术,对GCr15轴承钢的磨削性能进行实验研究;并利用自行开发的非球面数控磨削系统,对GCr15材料非球面模芯进行超精密数控磨削加工,加工后工件表面粗糙度Ra36nm,面形精度小于5μm。     

基于全因子试验的轴承沟道磨削工艺研究

通过全因子试验研究了不同磨削工艺对轴承沟道磨削变质层的影响。选取磨削参数时考虑残余应力、硬度、残余奥氏体和磨削变质层等目标。同时也考虑不同磨削参数对磨削效率和磨削精度的影响。试验表明,砂轮转速对残余应力和磨削变质层的影响较大,对硬度和残余奥氏体的影响较小。采用9000r/min的砂轮转速磨削将产生较高的残余拉应力。最终选取了所有磨削工艺中最为合适的磨削参数为:7000r/min砂轮转速、200r/min工件转速、15μm磨削深度,具有重要的工程指导意义。研究结果可以很好地指导轴承企业生产。     

GH4169材料磨削后数控抛光表面完整性试验研究

针对航空发动机叶片材料GH4169高温合金,采用CBN砂轮磨削后进行羊毛毡轮数控抛光.首先,研究了抛光预压量对抛光轮寿命和工件表面粗糙度的影响,找到了抛光轮寿命的评价方法和优化的预压量;然后,研究了抛光深度对磨削后GH4169表面完整性的影响.结果表明:表面粗糙度Ra随抛光深度的增加先减小后稳定,表面显微硬度HV随抛光深度的增加呈显著下降趋势,进给方向表面残余正应力随深度增加先升高后下降,而垂直进给方向表面残余正应力先基本不变后下降.最终试验优选出了深度参数为2μm,预压量0.5～1.0mm.采用羊毛毡轮对GH4169磨削表面进行抛光,既能达到较小的表面粗糙度值(Ra=0.3μm),又可以有效维持CBN砂轮磨削形成的两个方向较大的表面残余应力.     

镍基高温合金GH4169磨削参数对表面完整性影响

研究了用单晶刚玉砂轮磨削镍基高温合金GH4169时,磨削参数对表面完整性中的表面特征(表面粗糙度、表面形貌、表面显微硬度和表面残余应力)的影响,以期优化磨削参数.砂轮速度依次选择15,20,25m/s,磨削深度分别选择50,100,150μm,工件速度分别选择5,10,15m/min.研究结果表明:表面粗糙度对工件速度的变化最敏感,表面显微硬度对砂轮速度变化最敏感,表面残余应力对砂轮速度变化最敏感;同时表明了磨削参数对磨削表面形貌、显微硬度梯度、微观组织、残余应力梯度的影响,揭示了表面完整性中的变质层形成规律.其塑性变形层在5～10μm,显微硬度变化影响层为80～100μm,残余应力影响层厚度为80～200μm,其为磨削镍基高温合金表面完整性控制研究提供相关的实验数据基础.      

精化普通精密机床亚微米级加工等2则

精化普通精密机床亚微米级加工 本成果主要用于经精化的普通精密机床对有色金属零件进行亚微米级加工，其检测技术对其他材料的精密、超精密加工同样适用。 本成果基本特点是通过机床主轴、导轨精化，亚微米级微进给装置，金刚石刀具刃磨三大环节实现精密机床进行亚微米级加工，本技术经济实用，实施经费少(6万元)，周期短(6个月)，有推广应用价值。 微进给装置：分辨率0.1μm，静态精度0.2μm，动态精度0.4μm。 被加工有色金属零件精度：圆度0.15μm～0.19μm，直线度0.3μm/100mm，轴向尺寸控制精度0.4μm(20μm进给范围内)，粗糙度Ra≤0.06μm。 碳纤维/酚醛树脂喷管整体模压 本成果可用于小型固体火箭发动机喷管耐烧蚀及绝热件。 本成果在金属喷管壳体中直接将碳纤维/酚醛树脂压制成型，工艺简单。 烧蚀层扩散段与绝热层背衬用同一种材料，大大提高了复合材料与金属喷管体的结合力与可靠性。采用金属壁开槽和中间过渡层技术提高了制品的密封性和可靠性，并降低了模压件的内应力。 技术要求：碳纤维与酚醛树脂质量比为60:40;处理剂为KH—550。 本成果经济效益好，可推广应用。 李连清     

一种新型高精度双面车床研制成功

303研究所近期研制出了一台加工高同轴度的专用车床,主轴采用液体静压轴承,主轴座下设有高精度端齿盘,利用单面车削的方式,加工两端孔或轴要求高同轴度的零件。它比其它机床加工出的同心度要高出一个数量级。通过对铝、铜零件的试切,同轴度可稳定地达到1μm之内;圆度小于0.5μm;表面粗糙度高于Ra0.16((?)10)μm。这台设备不仅加工精度达到了国内外先进水平,而且外观新颖、结构紧凑、操作方便。这台机床的研制成功同时为航空航天部仪表、电机壳体、框架等类高同轴度零件的加工,开发出新的途径。     

非球曲面超精密车削过程中的轮廓补偿控制方法

介绍了一种可提高非球曲面超精密加工机床的轮廓跟踪精度的误差补偿控制方法。该轮廓补偿控制器是机床轮廓位置伺服系统的一部分,它以二次曲线代替原微直线段来逼近给定轮廓,可提高系统的轮廓逼近精度,并减小插补数据不连续对伺服系统的冲击,从而最终提高轮廓的加工精度。     

椭圆振动切削加工的同步控制研究

利用椭圆振动切削加工的回转体表面微织构是在机床主轴旋转、平台进给和装置椭圆振动的联合运动下得到的,机床主轴转动与装置位移输出如果不能保持完全的实时同步,会造成微织构加工的偏差。为了解决这一问题,提出了一种新的基于转角的同步控制方法,该方法在主轴的对位基准处实现装置正弦信号的复位,以修正转速漂移造成的加工位置误差,并通过判断主轴角度信号实时输出对应幅值电压来实时同步信号输出和机床旋转运动。基于LabVIEW FPGA搭建同步控制模块,经试验验证,利用该方法加工的矩形阵列微织构轴向排列与中轴线平行,与周向排列的夹角和仿真结果的偏差不超过0.1°,织构深度随转角的不同发生预设的变化,因此,同步控制方法具有实时同步控制椭圆振动切削装置的能力。