整體葉盤是航空、航天、船海、能源等領(lǐng)域重大裝備的核心部件,其加工表面質(zhì)量問題極易誘發(fā)疲勞失效,導致發(fā)動機服役壽命縮短。整體葉盤銑削表面有明顯的銑削殘留高度和波峰波谷,需要采用拋光工藝提升表面質(zhì)量。但是,拋光工藝主要采用人工拋光方法,人工拋光質(zhì)量一致性差,效率低,不僅影響整體葉盤結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命,而且制約發(fā)動機的生產(chǎn)制造周期。本文采用“五軸數(shù)控+柔性磨頭+彈性磨具”的拋光工藝,開展整體葉盤葉片自適應柔性拋光技術(shù)研究,建立高效可靠的拋光工藝方法,以提高整體葉盤表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。為實現(xiàn)整體葉盤自適應柔性拋光表面粗糙度的預測與控制,本文以“五軸數(shù)控+柔性磨頭+彈性磨具”為研究平臺,以砂布輪為磨具,開展整體葉盤葉片自適應柔性拋光工藝參數(shù)優(yōu)化研究,深入研究工藝參數(shù)對拋光力影響規(guī)律、面向表面粗糙度的工藝參數(shù)區(qū)間優(yōu)化、表面粗糙度預測、效率優(yōu)化等。論文的主要研究工作和主要結(jié)論如下:(1)提出了整體葉盤葉片自適應柔性拋光工藝方法。基于整體葉盤結(jié)構(gòu)特點,分析試驗平臺“五軸數(shù)控+柔性磨頭+彈性磨具(砂布輪)”的結(jié)構(gòu)組成和工作原理;結(jié)合彈性磨具砂布輪的結(jié)構(gòu)特點,提出整體葉盤葉片自適應柔性拋光工藝方法。(2)建立了拋光工藝參數(shù)對拋光力影響規(guī)律的預測模型。拋光力是影響拋光表面完整性的關(guān)鍵參數(shù),確保拋光力大小均勻是實現(xiàn)自適應拋光的主要途徑。通過單因素試驗分析明確了砂布輪拋光力的影響參數(shù)及其影響規(guī)律,通過正交試驗和極差法確定了拋光力的主要影響參數(shù)是砂布輪的壓縮量和轉(zhuǎn)速;通過對拋光力重復特性和材料切除量試驗分析,選取了砂布輪轉(zhuǎn)速和壓縮量的二元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗范圍,利用該正交試驗結(jié)果建立了拋光力預測模型;通過預測模型誤差變化趨勢分析,獲得了影響拋光力的主要工藝參數(shù)穩(wěn)定域。(3)基于表面粗糙度的工藝參數(shù)靈敏度和相對靈敏度概念,提出了工藝參數(shù)穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域、優(yōu)選區(qū)間和非優(yōu)選區(qū)間的劃分方法。通過正交試驗,建立了面向表面粗糙度的工藝參數(shù)靈敏度和相對靈敏度數(shù)學模型,獲得了砂布輪拋光工藝參數(shù)穩(wěn)定域和優(yōu)選區(qū)間,為工藝參數(shù)選擇以及表面粗糙度控制提供了理論方法和試驗依據(jù)。(4)建立了粗糙度比值預測模型。試驗證明在同一拋光工藝參數(shù)下,拋光前后的葉片表面粗糙度在一定范圍內(nèi)呈比較顯著的線性關(guān)系,拋光前后的葉片表面粗糙度比值能比較科學地反映拋光工藝參數(shù)的加工結(jié)果。基于正交中心組合試驗結(jié)果建立了粗糙度比值預測模型,通過方差分析驗證了該模型的顯著性,采用響應面法計算得到了拋光工藝參數(shù)優(yōu)化組合和優(yōu)化比值;計算了優(yōu)化比值的估計區(qū)間及其適應范圍;通過拋光試驗驗證了粗糙度比值預測模型、優(yōu)化參數(shù)和估計區(qū)間的可靠性。(5)對砂布輪拋光效率進行研究與優(yōu)化。為了提高拋光效率,提出了拋光效率和臨界拋光次數(shù)的概念,建立了拋光次數(shù)的兩種計算方法。方法一是通過拋光次數(shù)與表面粗糙度的關(guān)系式求得當表面粗糙度等于0.4μm時的小于其臨界值的拋光次數(shù);方法二是在拋光過程中根據(jù)當前表面粗糙度大小選擇效率相對最高的砂布輪拋光,計算出當表面粗糙度等于0.4μm時每個砂布輪拋光次數(shù)之和。通過灰色關(guān)聯(lián)度分析了拋光工藝參數(shù)(拋光力、轉(zhuǎn)速、粒度)對優(yōu)化目標(表面粗糙度、拋光效率)的影響大小,并獲得了優(yōu)化的工藝參數(shù)組合。采用兩種辦法對拋光次數(shù)進行了計算,并通過試驗結(jié)果證明了優(yōu)化參數(shù)的可靠性。最后,對材料為TC4的某型發(fā)動機某級整體葉盤上編號為A、B、C、D的四個葉片進行拋光試驗,驗證了本文拋光工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的可靠性。
【學位單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG580.692
【部分圖文】：

圖 1-1 復雜曲面構(gòu)件在各領(lǐng)域的應用這些主要結(jié)構(gòu)件通常工作在工況狀態(tài)變化劇烈的惡劣條件下，承受著高壓、高溫腐蝕、高載荷，很容易產(chǎn)生疲勞失效，導致零件使用壽命降低，嚴重時導致重大事故些具有復雜曲面構(gòu)件的成型加工大多采用球頭銑刀與多坐標數(shù)控點切觸、行切銑削法完成，其型面必然形成明顯的波峰波谷、殘留高度、啃刀痕跡和接刀痕跡，如圖 1示。大量研究表明，疲勞失效 80%以上由表面加工缺陷，如切削刀痕、加工殘余應態(tài)不均勻、表面燒傷、表面波紋、表層組織損傷等因素所致。可見，表面完整性是這些復雜曲面部件性能的關(guān)鍵因素，提高航空發(fā)動機葉片表面完整性是航空制造領(lǐng)待解決的關(guān)鍵科學問題之一。

圖 1-1 復雜曲面構(gòu)件在各領(lǐng)域的應用些主要結(jié)構(gòu)件通常工作在工況狀態(tài)變化劇烈的惡劣條件下，承受著高壓、、高載荷，很容易產(chǎn)生疲勞失效，導致零件使用壽命降低，嚴重時導致重有復雜曲面構(gòu)件的成型加工大多采用球頭銑刀與多坐標數(shù)控點切觸、行切成，其型面必然形成明顯的波峰波谷、殘留高度、啃刀痕跡和接刀痕跡，如大量研究表明，疲勞失效 80%以上由表面加工缺陷，如切削刀痕、加工殘均勻、表面燒傷、表面波紋、表層組織損傷等因素所致�？梢姡砻嫱暾麖碗s曲面部件性能的關(guān)鍵因素，提高航空發(fā)動機葉片表面完整性是航空制決的關(guān)鍵科學問題之一。

西北工業(yè)大學博士學位論文中，拋光技術(shù)是近年來發(fā)展最快、最有效且應用最為廣泛的表面加工技術(shù)表面殘留高度、消除表面波紋度、降低表面粗糙度和殘余應力，進而有效性。前，對于如整體葉盤/葉輪類通道狹窄、開敞性差、相互遮擋、寬弦彎掠、易變形的典型復雜曲面結(jié)構(gòu)件已經(jīng)可以實現(xiàn)精密成型加工的自動化，但表靠人工手持電動或氣動工具，采用彈性磨具(砂布輪、尼龍輪等)側(cè)刃進行圖 1-3 所示。人工拋光去除量不均勻、易燒傷、表面的波紋度和截面形狀使構(gòu)件表面一致性差；同時人工拋光勞動強度大、效率底、周期長、污重的是，人工拋光主要依靠試湊經(jīng)驗，表面完整性有效控制無法實現(xiàn)。
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本文編號：2884003