复杂叶片机器人磨抛加工工艺技术研究进展

针对航空、航天、能源等国家战略领域复杂叶片高效高品质加工重大需求,对近年来以工业机器人为装备执行体的机器人磨抛加工技术的研究进展进行了综述。具体围绕叶片机器人磨抛中涉及的加工系统精确标定、测量点云高效匹配、加工轨迹自适应规划,以及柔顺力精密控制等关键工艺技术,系统而全面地分析了国内外已公开发表的相关文献,并以典型的汽轮机叶片和发动机叶片为例,阐述了叶片机器人磨抛工程应用效果。最后从叶片特殊部位一体化加工、磨抛加工颤振抑制、磨抛表面完整性控制、叶片增减材混合加工等方面对该领域未来研究方向进行了展望。     

航发叶片7轴联动砂带柔性磨抛技术研究

为实现航空发动机叶片表面高质量磨抛工艺方法,研究了7轴联动专用数控砂带磨床,提出了叶片型面刀触点处磨抛余量计算方法,考虑了磨抛工具宽度、直径、弹性模量等诸多影响抛光力的因素,优化了施加于接触轮上的磨抛压力,实现了定量磨抛的工艺方法,生成了变抛光力NC程序.最后对铣削后航空发动机叶片进行磨抛工艺试验,加工后叶片表面光洁度较好,并且叶片型面尺寸精度与粗糙度均处于实际加工要求范围之内.     

钛合金风扇叶片磨抛加工性能试验研究

针对钛合金风扇叶片磨抛加工中砂轮易磨损、工件表面易烧伤的问题,开展了钛合金材料磨抛加工性试验研究,主要考察砂轮选型、磨抛工艺参数等关键因素对钛合金材料磨抛加工性的影响,并对试验结果进行了分析研究。试验结果表明,在保证工件表面加工质量(R_a0.8μm,表面无烧伤)的前提下,普通磨料砂轮GC46L10V磨抛加工钛合金的材料去除率和磨抛比分别可达5000mm~3/min和2.5,超硬磨料陶瓷结合剂CBN砂轮磨抛加工钛合金的材料去除率和磨抛比分别可达2000mm~3/min和4。基于研究结果,针对钛合金风扇叶片开展了砂带磨抛加工验证试验,工件加工质量良好。     

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。     

非轴对称安装角对压气机转子叶片性能的影响

为了给高压压气机叶片全工况的工程设计和加工制造提供借鉴,进行了多案例的单通道和8通道定常及非定常数值模拟,探究了设计点和非设计点工况下安装角非轴对称布局对压气机性能的影响。研究结果表明:非轴对称安装角方案在设计点工况下性能参数相较于均匀安装角降低,且在近堵点时流量的分散度更大。非轴对称安装角使得叶片表面压力系数波动较大,导致转子效率下降明显。在均匀安装角偏差小但标准差大的非轴对称安装角典型方案中,由于其通道中存在较原型偏离大的安装角叶片,从而使得大流量点工况下48%~82%叶高流动分离,降低了出口气流角和效率。在近失速点,该典型方案在轮毂处角区分离较原型明显增强,在10%叶高处扩散因子较原型高负荷设计高出了0.72%,导致了失速裕度减小。      

机器人磨抛复杂曲面加工轨迹对表面质量的影响研究

为了探究不同加工轨迹及其排布对工件磨抛加工表面质量的影响,本文进行了机器人磨抛轨迹对工件表面质量影响规律的研究。基于Preston去除方程和Hertz接触理论建立了砂带磨抛加工材料去除深度模型,分析了表面残留纹理的生成机理。以曲面航空发动机叶片为试验样件,利用自行搭建的机器人磨抛系统,分别使用等距轨迹、摆线轨迹进行加工试验,分析材料去除效果及表面纹理情况。试验结果表明,采用传统直线加工的等距轨迹于搭接处产生条带状纹理;摆线因其多方向性的加工动作,均化了表面纹理,提高了加工表面一致性。     

叶片磨抛机器人力/位混合控制的设计与实现

为提高航空类发动机叶片的自动化磨抛精度,减小复杂曲面叶片加工轨迹控制误差,采用基于六维力传感器的机器人力/位混合控制策略,实现机器人磨抛轨迹的在线修正。搭建以Staubli机器人和ATI六维力传感器为核心部件的叶片磨抛验证平台,通过C++开发上位机,采集磨抛过程中六维力传感器信息并进行Kalman滤波。通过示教确定机器人运动轨迹,对机器人运动轨迹与力传感器信息进行采集分析,确定基于力/位混合控制可以实现机器人运动轨迹的在线修正,为复杂曲面的叶片磨抛轨迹控制提供一种解决方案。     

航空发动机叶片柔性抛光技术

 基于发动机叶片结构特点及其抛光工艺要求,为实现叶片型面及阻尼台自动化抛光,满足其型面及进排气边尺寸、粗糙度等质量要求,消除叶片型面波纹对抛光工艺的影响,对砂带柔性抛光工艺装备技术进行研究,提出基于抛光力控制的砂带柔性磨头抛光工艺方法,并对其抛光工艺过程、抛光力控制进行研究,通过对叶片自动化抛光编程及抛光轨迹路径规划技术研究,最终实现发动机叶片高效柔性抛光工艺。抛光试验结果表明,柔性自动化抛光后叶片型面尺寸精度可达±0.06 mm,粗糙度低于R_a0.4,与传统手工抛光方法相比,大大提高其抛光效率及表面质量稳定性,降低劳动强度,且减少粉尘污染。     

某型发动机高压压气机第6级静子叶片掉角故障分析

针对某型发动机高压压气机第6级静子叶片掉角故障,分别进行了断口分析、强度计算、振动模态试验和整机动应力测试,综合分析结果表明:第6级静子叶片掉角断口均属于高周疲劳;实测第9阶振型的最大相对振动应力区与故障叶片的裂纹起始位置吻合;第9阶自振频率对叶尖附近的弦长、厚度及尾缘R的尺寸微小变化很敏感。采取了增加频率限制、对涂"W"漆前的吹砂工艺进行细化以保护叶片的措施,使得该故障得以排除。     

开式整体叶盘叶片型面数控抛光编程与工艺实验研究

针对开式整体叶盘叶片型面数控抛光,首先介绍多坐标数控抛光机,然后提出分段直纹面拟合叶片型面,并利用分段直纹面的偏置面直母线生成刀位轨迹,最后进行了数控抛光参数优化实验,实现了整体叶盘叶片的自动化高效精密抛光,提高了整体叶盘的表面质量.     

对转压气机三维掠动叶优化设计

为探索三维掠动叶降低对转压气机二次流损失的潜力,进一步提高对转压气机气动性能,基于近似函数与遗传算法,针对某对转压气机双排转子在整机环境下进行三维掠动叶优化设计,并对优化前后流场进行对比分析.优化成功的得到了双排“S”形掠动叶,结果表明:三维掠动叶有效改善了双排动叶吸力面径向二次流,减小了吸力面低速区,提高了对转压气机性能,优化工况点整机效率提高0.6％,全工况范围内效率均有所提高;三维掠动叶提高对转压气机效率的根本原因是其对径向负荷分配的重新调整,将叶展下方流动较差区域负荷移至叶展上方,改善流场的同时保证对转压气机负荷不变.     

压气机试验叶片注塑变形主工艺参数分析研究

航空发动机压气机低速模拟实验台所用树脂叶片注塑成型过程复杂,叶片成型精度由模腔和工艺参数决定。为探索工艺参数及其交互作用对叶片成型精度的影响规律,提出并研究了压气机叶片注塑变形主工艺因素的二次分析方法。首先基于析因试验研究了熔体温度、模具温度等工艺参数对叶片成型变形的影响,揭示了对叶片变形影响显著的工艺参数及其交互作用;再基于响应面方法分析了各主工艺参数及其交互作用对叶片变形的影响规律。仿真试验结果表明,保压时间、熔体温度与保压时间的交互作用等是影响叶片变形的显著因素。     

叶片表面粗糙度对前弯压气机叶片流动特性影响的试验研究

为了探究叶片表面粗糙度对叶型性能的影响规律,对压气机前弯叶片进行了变雷诺数多攻角工况的叶栅试验。不同粗糙度(Ra=3.0,6.2,12.3)叶片是在轮廓度有所保证的前提下,通过线切割机械加工、喷砂工艺改变表面粗糙度的方式获得。试验结果表明,粗糙度升高确实会诱发层流提前转捩,引起吸力面层流分离泡消失,除此之外,在低雷诺数(Re=9×10~5)下,Ra=3.0与Ra=6.2下叶片表面马赫数分布基本一致,到Ra=12.3时才会较明显表现出叶片吸力面峰值马赫数降低的现象。随着雷诺数升高,叶片表面马赫数分布随粗糙度变化的差异性逐渐显现,但当处于堵塞负攻角i=-6.4°下,粗糙度Ra≥6.2后,叶片性能却维持稳定。另外,粗糙度的增加会降低压力面的粘性损失,升高吸力面的粘性损失及尾迹掺混损失,因此随粗糙度升高,低雷诺数(Re=9×10~5)下总压损失随粗糙度升高呈先增后降的趋势。在高雷诺数(Re≥1.08×10~6),i=2.6°～-2.4°下粗糙度升高会导致损失升高,甚至发生严重的湍流边界层分离。与此同时,发现被研究叶型吸力面前缘(20%弦长前)马赫数分布对粗糙度并不敏感,不会因粗糙度的不同而发生变化。     

压气机/风扇二维叶型自动优化设计

通过压气机叶片自动优化设计关键技术研究,提出采用并行遗传算法以实现全局寻优和并行优化缩短优化耗时;采用基于修改量参数化方法,达到优化过程生成叶型的可控性和合理性;提出兼顾非设计点性能的目标函数设置方法,实现全T况优化;并进一步研制出二维平面和任意回转面叶型自动优化设计软件.软件中流场计算模块与商用软件相比一致性较好,表...     

基于UG的压气机叶片参数化设计方法研究

航空发动机压气机叶片设计是反复迭代的过程,每次修改都需要重新进行三维建模,极大地延长了设计周期。为解决压气机叶片设计效率低的问题,并快速设计出气动性能好的叶片,本文基于CAD设计软件UG,采用二次开发的方法,构建压气机叶片参数化三维模型,将压气机叶片的气动几何参数与叶片几何三维模型相互关联。当气动设计参数发生改变时,几何三维模型随之改变,叶片的气动性能也相应改变,极大地提高了设计效率。     

扰流柱对层板冷却叶片前缘传热

根据涡轮导向叶片进、出口条件,运用RNG k-ε湍流模型对简化的层板冷却叶片前缘部分进行数值模拟计算,比较了冲击双层壁和带有圆形、方形、菱形扰流柱的4种层板冷却叶片前缘的流动与传热情况。结果表明:冲击双层壁的总压损失与带扰流柱的层板冷却叶片前缘的相差不大;方形、菱形与圆形扰流柱的靶面换热系数分布相近,差别很小;带扰流柱的层板结构叶片前缘的冷却效率比冲击双层壁的前缘的高,其中方形扰流柱的前缘表面的冷却效率最高,菱形、圆形的次之。     

增材制造异形波导管内腔的磨粒流抛光方法研究

针对磨粒流抛光异形波导管内球面欠抛的问题,通过设置仿形芯模引导磨料流经内球面,完成内球面的抛光.利用Fluent对不同仿形芯模与波导管内腔形成的流道模型进行流体仿真,对比分析等效壁面的流速、压力以及壁面剪切应力.仿真结果表明,芯模球径越大,越有利于改善内球面的加工质量.采用球径9mm的仿形芯模进行磨粒流抛光试验,波导管...