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整体叶盘构件数控磨削工艺关键技术研究

段继豪  
【摘要】:随着整体叶盘结构件在航空、航天、船舶、能源、核工业等领域的重大装备中得到广泛应用,其加工制造工艺技术也得到飞速发展。但是,相对于目前已经成熟的整体叶盘构件粗加工工艺技术,其精加工磨削工艺依然处于落后的人工打磨阶段,人工经验打磨质量一致性差、均匀性差,且加工效率十分低下,不仅影响整体叶盘结构件的疲劳寿命,而且制约发动机的生产制造周期。因此,开展整体叶盘自动化磨削技术研究,建立其高效可靠的磨削工艺方法,以摆脱传统落后的人工打磨工艺方法,对提高整体叶盘疲劳性能和生产效率、研究和建立自动化生产线的等都具有十分重要的意义。本文针对整体叶盘结构件人工打磨工艺质量差、效率低等问题,基于自主设计的整体叶盘数控磨削实验平台,通过分析整体叶盘磨削工艺中面临的问题挑战,开展整体叶盘数控磨削工艺关键技术研究,深入研究磨削过程中的接触状态、磨削力状态、磨削工艺条件等,并结合工艺实验验证理论分析的可靠性,论文的主要研究工作与获得的主要结论如下:(1)基于整体叶盘结构特点,分析整体叶盘磨削加工中面临的主要难点与问题,结合人工打磨加工方法经验,并考虑其后续一体化自动生产线的设计建立,提出适应整体叶盘特点的数控磨削加工工艺方法,分析说明整体叶盘数控磨削实验平台的结构及组成部分,并着重对磨削实验平台的柔性磨削主轴机构展开深入研究,阐述其结构特点与装配形式,对该关键机构的工作原理进行说明,建立其工作范围与工作位姿的理论计算公式,最终形成整体叶盘自动化磨削加工工艺理论方法。(2)依据数控砂带磨削工艺基础理论知识,对磨削工艺过程中磨具与工件之间的接触状态进行理论分析,主要包括接触区域特征、接触区域压力分布状态、材料去除率等内容研究,采用接触加工实验,分别研究磨料粒度、磨具接触曲率、主轴转速、理论磨削深度、工件曲率半径等因素对接触区域特征的影响规律,并基于赫兹弹性接触理论,从凸面接触与凹面接触两个方面,分析并建立磨削接触区域各点处的压力分布状态方程,最后进行基于Preston方程的磨削加工材料去除率模型研究,分别得到凸面接触与凹面接触形式下的材料去除率方程,并获得材料去除率方程修正系数,实验结果表明材料去除率模型具有较高的可靠性。(3)分析说明整体叶盘磨削工艺过程中磨削力的作用形式,依据传统砂带磨削法向磨削力经验公式,并基于数控磨削实验平台柔性主轴机构的工作原理,提出磨削力间接控制方法,对间接控制过程进行理论分析、简化并建立控制系统数学模型,而且充分考虑实际系统中存在的非线性、不确定性、不稳定性、复杂性等因素,采用模糊PID算法对系统进行控制,选用变角度三角隶属函数,建立其模糊控制规则,对控制系统进行仿真分析,并与传统PID控制效果进行对比,结果表明,模糊PID磨削力间接控制获得高响应速率、低超调量的控制效果,最后通过仿真分析负载质量对控制系统的影响情况,进一步验证控制方法具有较高的适应性和理想的控制效果。最后,通过比例阀压力传感器数据检测,建立磨削过程中法向磨削力的计算公式。(4)对整体叶盘磨削质量表征参数与加工参数进行分析,结合整体叶盘加工质量要求,选取表面完整性若干参数作为对整体叶盘磨削工艺优劣的评价指标,并开展加工参数对表面完整性指标的单因素实验研究,掌握加工参数对各指标的影响规律,进而采用正交方法设计实验,对实验检测结果进行分析处理,建立表面完整性各评价指标的指数经验公式,最终展开磨削工艺过程加工参数优化,将优化问题进行线性处理并提出约束条件,获得在不同目标函数下的优化磨削加工参数组合。(5)分别展开磨削工艺中实际磨削深度、磨削力控制、加工参数优化等研究内容的加工实验验证,实验结果证明了磨削关键机构对主轴位姿微位移调节的有效性、模糊PID控制方法对法向磨削力间接控制的可靠性等;同时实验结果表明,磨削力控制加工质量明显提高,而相对于人工经验打磨与经验参数磨削加工,在优化加工参数磨削条件下,工件加工表面质量得到明显改善,且加工效率获得显著提高。


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