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《吉林大学》 2011年
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新型混联式叶片磨抛机床研究

李瑞清  
【摘要】:随着汽轮机、涡轮机和航空发动机等轴流叶轮机械的广泛应用,叶片作为重要部件之一,叶片质量直接影响到汽轮机、涡轮机和航空发动机等性能。叶片具有设计过程复杂、由空间复杂曲面组成、工作环境恶劣、精度要求高的特点。因此对叶片的设计、材料、机械加工工艺、热处理及表面喷涂等过程要求很高,设计及制造中任何微小缺陷都会影响工作效率,甚至使整个机组损坏。随着商业CAD软件成熟及广泛应用,叶片设计能力得到了极大提升。但在制造过程中,磨抛精加工工序自动化程度很低,需要大量人工来达到叶片型面精度和表面质量要求,不仅占用大量工时,而且质量往往由加工者经验来保证。 为提高叶片表面磨抛精加工自动化程度,提高叶片开发效率,缩短叶片设计生产周期,减少人为因素对叶片精度和表面质量的影响,课题组开发了一种新型混联式磨抛机床,并应用到叶片磨抛工作中,充分结合了并联机构和传统串联机床的优点,不仅可以充分利用并联机构高刚度,高精度,高灵活性和柔性的特点,而且通过串联横梁和床身两个移动自由度,有效地解决了并联机构运动空间小的问题,并能够合理分配运动行程,适应叶片工件特点。通过磨抛工具沿X轴的直线运动和3-RPS运动平台的Z轴移动、绕X轴转动和绕Y轴转动三个自由度运动,带动叶片运动形成复合运动,包勒出叶片四自由度截面型线,再通过串联的床身沿Y轴的进给运动,可以能够加工到叶片整个表面。新型混联式叶片磨抛机床为课题组首次提出,并申请了两项专利,其中一项为发明专利CN101148021,另一项为实用新型专利CN201109062。 本文在吉林省科技发展计划重点项目资助下,进行了对新型混联式叶片磨抛机床研究,包括机床所需自由度、自由度分配、传动链配置、核心部件及机床整体结构设计等,现已完成了机床设计开发工作和机床加工装配,进入到机床调试阶段。 确立了3-RPS并联机构的独立自由度,并对3-RPS并联机构进行了运动学和动力学分析,建立了并联机构独立自由度与驱动副之间位置、速度、加速度等正反解模型,并利用拉格朗日法建立了并联机构的动力学模型;结合3-RPS并联机构的结构设计和运动学分析,求解了不同位置和姿态角的工作空间。 根据叶片结构特点,对机床进行整机运动规划和轨迹规划,将运动分配到机床各主动自由度,进行了混联叶片磨抛机床仿真分析。仿真过程中,由于叶片边缘处曲率变化较大,磨抛加工时会对机床产生冲击。为降低冲击,对叶片边缘处加工点进行插值处理,增加叶片边缘处的数据点,减小运动步距。插值处理后,整个叶片螺旋线磨抛仿真过程平顺,没有明显冲击产生。同时,仿真分析也表明,伺服电机完全满足叶片磨抛过程中的动力要求。 通过对机床局部细节和结合面处理,建立了3-RPS并联机构和机床整机有限元模型,并利用有限元分析软件ANSYS分析了机床静态和动态性能。机床静态性能较好,3-RPS并联机构和机床整机刚度均较大;利用有限元和实验法完成机床模态分析,两种方法得到的机床固有频率相近。 完成了机床X、Y运动轴的精度检测实验和叶片磨抛单因素实验研究。机床精度检测实验,对机床X、Y运动轴定位精度、重复定位精度和直线度进行检测。叶片磨抛分别对砂带粒度、砂带转速和进给速度三方面进行了单因素实验,实验结果显示,砂带粒度对叶片磨抛效果影响最大,砂带粒度越大、砂带转速越高和进给速度越低则磨削效果越好,可以使叶片达到较低的表面粗糙度。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG580.6

【参考文献】
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