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《南京航空航天大学》 2017年
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钛合金空心风扇叶片前后缘自适应数控加工研究

赵正彩  
【摘要】:风扇叶片的结构形式和气动特性对航空涡扇发动机的性能有着重要的影响。钛合金空心风扇叶片因质量轻、强度好和气动效率高等优点,广泛应用于当前主流民用涡扇发动机以及先进军用涡扇发动机中。具有精确后掠外形和复杂空心瓦楞桁架内形的钛合金空心风扇叶片采用“超塑成形/扩散连接工艺+数控切削工艺”加工而成。因在超塑成形/扩散连接工艺中经受多重高温高压热循环过程,钛合金空心风扇叶片毛坯存在形状一致性差、加工余量分布不均匀、刚性强弱相间、空心瓦楞结构壁厚成形精度不稳定等问题,导致传统数控加工技术无法有效地加工出风扇叶片的精确外形,已然成为制约我国先进涡扇发动机研制的瓶颈之一。本文以突破钛合金空心风扇叶片前后缘精密数控加工技术为目标,开展自适应加工中在机测量、CAD模型匹配、快速自适应数控编程、加工变形预测和误差补偿以及软硬件系统集成等关键技术的研究,试图解决个性化薄壁弱刚性复杂结构零件加工难的问题。主要研究工作包括:(1)分析了钛合金空心风扇叶片的结构特征及毛坯尺寸状态,建立了复杂曲面外形在机接触式测量系统和空心瓦楞桁架结构蒙皮厚度在机超声检测系统,制定了在机测量系统精度校准策略,基于结构特征分别设计了外形测量和壁厚检测的方案,确保高效、精确地获取个性化毛坯的测量数据。(2)提出了钛合金空心风扇叶片CAD模型自适应匹配的思路,研究了加工余量约束下的测量数据和CAD模型快速精确配准方法,给出了基于点对距离的零件CAD模型修正策略,分析了配准后和修正后风扇叶片毛坯的加工余量分布。(3)提出了基于模板刀位点混合变形的钛合金空心风扇叶片前后缘加工快速自适应数控编程的思路,研究了基于自由曲面变形技术的刀位点整体迭代自适应变形方法和基于构造Bezier曲线/曲面的刀位点局部光滑过渡变形方法,给出了变形后刀位点单位法矢方向重新计算的方法。(4)分析了影响钛合金空心风扇叶片前后缘加工变形的主要因素,提出了预测和补偿相结合的加工变形控制策略,建立了综合考虑毛坯内应力状态、装夹约束和切削加工载荷等影响因素的加工变形有限元预测模型,实现了加工变形有限元模拟结果的试验验证,制定了面向复杂曲面结构零件的加工误差迭代补偿方案。(5)研究了自适应加工软硬件系统集成技术,基于UG NX 9.0和Visual Studio C++开发了面向钛合金空心风扇叶片前后缘数控加工的自适应软件;以钛合金空心瓦楞桁架结构试验件为对象,开展了前后缘自适应铣削加工试验,分析了试验件加工精度和表面质量,验证了本文研究的自适应加工关键技术的正确性以及集成系统的可行性。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG659

【参考文献】
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