多目标约束的精锻叶片几何重构优化算法

新型航空发动机已部分采用精密锻造工艺提高叶片的制造精度和效率。然而,精锻后的叶身型面与设计模型存在几何偏差,导致依据设计模型加工后的进/排气边与精锻的叶身型面不能很好地匹配。为了解决该问题,提出一种面向精锻叶片自适应加工的几何重构方法。首先,建立基于公差约束配准的目标函数,并采用粒子群优化（PSO）算法求解目标函数。其次,提出基于叶身变形趋势预测进/排气边轮廓的光顺重构算法。最后,通过精锻叶片自适应数控加工实验对提出的方案和算法进行验证。实验结果表明,该方案可以有效重构出合格的工艺模型,满足精锻叶片的精密数控加工要求。     

复杂薄壁构件自适应加工工艺几何模型重构

随着制造理念和制造水平的不断提高,大量复合制造工艺背景下的近净成形叶片被应用到现役或在研的航空发动机中。该类叶片是典型的复杂薄壁结构零件,无精确定位基准,且成形一致性差。采用传统叶身定位,加工后的前/后缘、榫齿形状和位置精度均难以保证,从而导致产品一致性差,易超差与合格率低。针对以上问题,提出一种面向自适应加工的复杂薄壁结构零件工艺几何模型重构方法。首先,建立复杂曲面的采样点分布模型,快速获取叶片精确成型区域的位置和形状;其次,提出基于特征曲线相似变形的模型重构算法,精确重构前/后缘非精确成型区域的工艺几何模型;最后,通过精锻叶片自适应加工试验进行验证。试验结果表明：该方法可有效满足以精锻叶片为代表的复杂薄壁构件自适应加工要求。     

航空发动机精锻叶片自适应数控加工技术

航空发动机精锻叶片自适应数控加工技术集成了数字化检测、工件定位和模型重构等数字化制造领域中的多项技术,是实现以精锻叶片为代表的复合制造工艺背景下叶片类零件高效精密加工的一种系统解决方案。该技术的研究与应用对于改善我国航空发动机精锻叶片制造领域现状,提升先进制造技术水平具有重要意义。     

航空发动机叶片型面的旋流式光整加工实验研究

本文利用旋流式光整技术针对航空发动机叶片型面的光整加工进行实验研究,制定了叶片型面光整工艺路程,优选了磨料,设计了叶片光整实验用夹具。通过具体叶片型面和前后缘的光整实验验证了旋流式光整加工及其实验方案能够满足叶片型面和前后缘的设计要求,提高光整效率1倍以上,并且改善叶片型面的应力状态及其分布,从而大幅度提高叶片的疲劳寿命。     

压气机叶片辊轧模具型腔快速建模技术

为适应压气机辊轧叶片模具型腔的敏捷化设计需求,提出一种型腔模型建模方法。依据叶片气动外形及建模效率的双重要求,以叶片中弧面曲率变化规律作为评判基准,规划工艺模型截面线族的位置与数量;基于此,建立截面线族映射法则以完成工艺模型叶形截面线族至辊轧模具扇面的重新空间分布,由所得型腔模型截面线族重构型腔型面;通过与回转体的布尔运算获得辊轧叶片模具型腔;以通用CAD软件为平台,开发了压气机叶片辊轧模具型腔自动化建模系统,实现了模具型腔的快速建模,使压气机辊轧叶片模具建模效率得到显著提高。     

航空发动机叶片型面加工误差可视化方法研究

叶片型面加工质量的科学检测是保证航空发动机叶片高气动性能的关键技术之一,针对目前叶片型面检测结果可视化程度低,且常规的数模比对方法难以对复杂扭曲叶片型面加工质量进行准确分析的现状,本文基于叶身型面的定义提出了具有节点层特征的自适应三角网格模型以及叶片型面主要加工误差的可视化分析方法,并以叶片型面为检测对象进行了验证分析。结果表明:该方法及其对应的软件系统能够对叶片截面型线轮廓度误差、扭曲变形误差、掠变形误差、弯变形误差以及截面型线轮廓超差量进行直观、准确的可视化分析,减少了原有截面特征检测报告中近30%的文字数据,提高了检测结果的可视化程度,能够有效地协助检测人员完成叶片型面加工质量的分析和评定工作。     

基于等高测量数据点的叶片型面建模关键技术

叶片类零件被广泛应用于航空航天领域,其测量建模是逆向制造的关键.根据叶片类零件的几何结构特征,采用等高法测量叶片型面,对其建模过程中的关键技术进行研究.研究了叶片型面测量建模过程中的测头半径补偿方法,测量坏点的剔除,利用单圆弧法构造缘头截面线以及利用NURBS曲线方法构造叶盆、叶背截面线,并实现叶盆(背)截面线与缘头的...     

航空发动机复合材料叶片切削加工智能装夹系统

航空发动机复合材料叶片通过热压成型后，型面误差大，刚性弱，其榫根铣削和叶片切边加工装夹难度大，往往需要通过扫描来重构型面，重新生成加工代码，导致加工过程复杂，加工代码文件不通用，严重影响了其批量生产效率。提出用于航发复材叶片切削加工的多点阵自适应装夹和调姿系统。该系统采用定位和夹紧分开的柔性阵列工装，夹紧采用弹性吸盘，定位采用刚性定位器，确保吸紧和定位后叶片型面的精度；该系统能够在叶面最大误差范围内，根据叶片型面和榫根的误差自动地调节加工位姿，确保在不修改加工代码的情况下，实现满足性能要求的榫根和前后缘加工，大大减小了叶片切削加工的难度，提高了加工的效率。     

基于人群搜索算法的Dykas汽轮机叶栅型线重构

针对汽轮机叶片智能优化设计中的叶片参数化建模与型线重构问题,首先基于三次Bezier曲线推导了叶片型线的坐标方程,根据叶片基本几何参数实现了汽轮机叶片型线的参数化表达。在构建的参数化模型的基础上,根据已知的叶型坐标点数据,采用人群搜索算法(SOA)重构实际汽轮机叶片型线,并通过叶型重构算例对SOA和粒子群算法(PSO)进行了对比分析。结果表明：基于Bezier曲线构建的参数化型线光滑性好质量高,所提方法可以任意修改叶型几何参数并再生模型,实用性较强且效率较高。基于SOA优化算法的叶片型线重构方法可以准确重构Dykas汽轮机叶片型线,且SOA重构叶型的方法收敛速度快、收敛结果更稳定,为汽轮机叶片优化设计奠定基础。     

压气机叶片辊轧模具型腔前滑补偿方法

辊轧模腔是叶片无余量辊轧成形的关键,然而压气机叶片辊轧成形过程中存在前滑现象,造成叶片沿辊轧方向精度偏差,需要在模具型腔设计过程中补偿前滑量,以实现叶片沿积叠高度的精确成形。针对叶片辊轧前滑现象,本文提出并研究了基于辊轧前滑补偿的压气机叶片辊轧模具型腔优化设计方法。首先,在分析前滑成因及叶片截面前滑表征模型的基础上,研究了前滑补偿机理并建立了前滑补偿模型,即型腔中心角与叶片积叠高度的对应关系。在此基础上,通过提取表征叶片的工艺模型截面线族,顺次计算截面前滑值并基于前滑补偿模型对辊轧模具型腔中心角进行修正。然后,基于修正后的型腔中心角,建立叶片工艺模型截面线族到型腔截面线族的空间扇态映射法则并进行截面线映射变换,进而基于型腔截面线重构了基于前滑补偿的叶片辊轧模具型腔。最后,通过高置信度数值计算方法比较了前滑补偿模腔和直接空间几何映射模腔辊轧成形叶片的积叠高度。结果表明,优化后的模具型腔能够有效提高叶片积叠轴方向上的成形精度。     

叶片前缘高精度重建方法研究

叶片前后缘的形状对发动机的气动性能有非常重要的影响。对叶片前后缘的精确建模是高质量加工的前提。现有的叶片前缘大多为圆弧或椭圆弧。为了实现精确建模,本文首先运用一种基于带约束的最小二乘方法对数据点进行拟合,然后用拟合的结果作为初值,根据椭圆的极线性质进行更精确地求解。实例表明本文的方法在对椭圆弧的拟合中具有比Fitzgibbon方法更好的鲁棒性及更高的精确度。在重建前缘时,一些事先难以排除的出格点极大地影响了拟合精度,鉴于本文方法具有较好的鲁棒性,本文提出了以前缘点为中心,对于逐次增加数据点多次运用本文的拟合方法,最终排除出格点的方案。数据实验验证了这一方案的有效性。总之,本文提出的拟合方法非常适合于在逆向工程中对叶片前缘的重建。      

压气机叶片型面精密数控铣加工技术应用研究

为了提高压气机叶片型面和进、排气边转接圆角的数控铣加工质量,在工艺、夹具、数控加工模型与程序以及检测方法等方面采取了攻关措施,减小了叶片型面精铣加工的变形,实现了叶身型面的精密铣削加工,对型面采用毡轮修光去除铣削痕迹后,经过3坐标、小半径投影仪等设备的测量,进、排气边转接圆角的形状和型面轮廓度、位置度各项要求的加工质量得到了质的提升,其合格率由20％提高到75％以上,加工效率和刀具耐用度提高1倍以上,使叶身型面精密铣削技术具备了精品叶片批量生产的工程化应用技术基础.     

航空发动机叶片叶缘随形磨抛刀路规划

航空发动机叶片是整机核心零件,其制造量占到30%以上。叶片叶缘具有大弯扭复杂曲面、薄壁圆角半径微小渐变、精度要求苛刻等特征,末端工序磨抛的精度和品质直接决定整机的性能与寿命。人工仍然是叶片叶缘磨抛的主要手段,然而粉尘危害健康、经验依赖性强、零件一致性差等不足决定了自动化磨抛是必然趋势。叶片叶缘自动化磨抛多采用砂轮横磨或纵磨的刀路规划方式,存在刀路不连续且分行密集、力控制困难等不足,易造成叶缘局部过切,难以保证圆角轮廓创成。为此,建立了砂带包络叶缘的螺旋进给力控磨抛工艺,提出了面族与复杂曲面高阶切触的随形磨抛路径规划方法,实现了叶片叶缘的宽行高效磨抛。首先对叶缘区域进行横磨刀路规划,然后依照圆弧拟合曲线原理进行高阶切触式包络段再规划,最后进行横纵混合磨抛路径规划实现螺旋式连续进给。针对航空发动机叶片开展仿真和实验验证,结果表明所提出的方法相比于传统的横磨或纵磨方法,可将刀触点减少78.8%,轮廓精度由-0.06~+0.07 mm提高到-0.015~+0.05 mm,表面粗糙度由R_a>3.2 μm提高到0.175 μm,并且有效保证了叶缘轮廓形状,避免了过切现象。     

Precise modeling of arc tooth face-gear with transition curve

A fabrication method is adopted for which an imaginary gear simultaneously realizes conjugated meshing with an arc tooth cylindrical gear and an arc tooth face-gear. The cutter fillet and tooth crest edge form the tooth root fillet of the gear, and the linear tooth surface equation of the imaginary gear and the position vector of the curvature center of the cutter fillet arc constructed with certain cutter inclination to deduce a working arc tooth surface equation. The tooth root fillet equation of the arc tooth face-gear is derived from the meshing geometry and kinematics. A numer- ically controlled machining model of the arc tooth face-gear is established through the transforma- tion of adjustment parameters from the cutter-tilt milling machine to a common multi-axis NC machine. Motion parameters of each movement axis of the NC machine are acquired. A processing example is presented to verify the precision of the fabrication method in processing the arc tooth face-gear. The method provides a theoretical and tentative basis for the analysis of tooth surface contact stress, tooth root bending stress and dynamics. A hobbing test is conducted to demonstrate the good meshing condition of the arc tooth face-gear pair.     

叶片前缘形状对涡轮气动性能的影响

采用Bezier曲线控制涡轮叶片前缘形状由圆弧形改为非圆弧形,用数值计算方法研究涡轮叶片前缘形状对其气动性能影响.首先以基元叶型为研究基础,数值模拟分析、比较不同基元叶型前缘形状在不同攻角下对涡轮叶栅性能影响.对于正常运行的攻角范围(-15°~+10°),由于非圆弧形前缘表面曲率半径增大较缓,减小了前缘表面流动的法向压力梯度,抑制过度膨胀,减小由摩擦力引起的能量耗散,损失减小,且非圆弧形曲率半径越大,提高性能效果相对越好.而在非设计工况的大攻角条件下,前缘曲率半径缓慢增大将导致叶型分离更严重,损失相对增加.其次以某5级低压涡轮作为验证实例,数值研究分析认为,非圆弧形前缘形状可改善叶片前缘流动特性,提高涡轮效率,但对于远离设计点的非设计工况,由于气流攻角的大幅度改变,会带来涡轮气动性能的负面影响.      

基于拐点检测的椭圆弧叶型前后缘评定算法

叶片前后缘的形位对叶片气动性能有着显著影响,且其分割结果也严重影响特征参数的精密计算。现有的叶片前后缘分割算法大多基于拓延算法的实现与改进,但是拓延算法本身尚不能自适应叶型截面尺寸来分割点云,而后续的改进算法在轮廓线误差控制上仍有待加强。针对叶片截面线前后缘的点云精确分割问题,参照椭圆弧叶型的造型设计特点,提出了基于拐点检测的前后缘评定算法。通过对截面线点云旋转、截取、顺时针排序以及拐点检测处理,实现了在高精度测量条件下对叶片前后缘的精确分割。最后设计了对比实验,验证了本文算法可以定性地分割叶片前后缘,并在线轮廓误差上保持了较低水平;论证了在逐点拓延椭圆拟合过程中,从凹性点即开始影响线轮廓误差。     

三元整体叶轮的几何造型与数控加工刀具路径规划

采用三次B样条曲线对叶轮中性面上盖盘和轴盘的两组数据点进行插值，得到盖盘曲线和轴盘曲线，进而得到直纹面形式的叶轮中性面；按照叶片的厚度做盖盘曲线和轴盘曲线的变距偏置曲线，得到叶片曲面的直纹化表达式；在此基础上，讨论了三元叶轮加工的刀具路径规划方法，给出了确定球头刀刀心位置和计算残留误差的两种迭代算法，最后给出了加工实例。     

压气机叶片的带平台圆弧形前缘

带平台圆弧形前缘的研究是为了优化前缘形状，抑制前缘流动分离。研究中使用了数值模拟方法和氢气泡流动显示实验方法。对带平台圆弧形前缘设计参数做了定义，并讨论了参数选择的准则。此前缘特有的双吸力峰的强度远远弱于圆弧形前缘的单吸力峰。在不同攻角下，其削弱前缘吸力峰，抑制流动分离的效果不亚于椭圆形(长短轴比=2)前缘，而且对加工精度要求低，更适合工程实际应用。