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离心叶轮五轴加工刀轨与工艺参数优化方法与实验研究

詹友仁  
【摘要】:航空发动机作为国家的战略性产业,其制造工艺水平直接体现了一个国家制造业在高精尖设备研发与制造方面的技术实力。而离心叶轮作为航空发动机中不可或缺的核心部件,其加工精度直接影响其空气动力学性能和机械效率。目前,我国虽然在航空离心叶轮的五轴数控加工领域取得了长足进步,但其整体加工工艺水平与国外相比仍有很大差距。究其原因主要是离心叶轮叶片几何形状复杂,属于薄壁结构件且整体刚性差,导致其在加工过程中易产生几何编程误差、加工变形误差及工艺参数难以选择等问题。如何建立合理的刀轨优化算法和可靠的工艺参数优化方法是实现离心叶轮高效高精加工的一项重要课题。因此,迫切需要深入研究离心叶轮五轴数控加工刀轨与工艺参数优化方法以有效提高其加工精度和效率。为此,本文综合运用多轴数控加工原理、刀轨优化理论,误差补偿原理、数值模拟技术、数据库开发技术及切削实验等理论方法与技术手段,探索离心叶轮五轴数控加工中刀轨和工艺参数优化方法,具体研究工作如下: 1)通过分析现有刀位优化算法的不足,结合离心叶轮几何结构特征和数控侧铣原理,建立离心叶轮叶片数控侧铣双参数刀轨优化算法以尽可能减少几何编程误差;利用UG、VC++等软件与编程语言开发出刀轨优化计算软件及通用后置处理器;运用数值模拟计算和VERICUT对不同刀位优化算法进行几何编程误差的实例分析与对比。 2)通过设计正交铣削试验获取实验数据,利用方差分析获取离心叶轮加工过程中不同加工工艺参数对铣削力的影响规律,并利用回归方程建立锥形球头铣刀的铣削力经验预测模型,得到预测铣削力。 3)运用有限元软件ANSYS分析离心叶轮叶片的加工变形误差分布规律,运用加工变形补偿原理及刀位优化理论建立基于加工变形误差补偿的离心叶轮叶片锥形球头铣刀数控侧铣的刀位优化算法。 4)以离心叶轮叶片五轴联动数控加工的加工效率、加工成本为优化目标函数,建立离心叶轮叶片数控加工工艺参数优化数学模型,并采用遗传算法对最佳工艺参数进行优化求解。 5)利用VC++、ACCESS数据库及实例推理(CBR)技术开发出离心叶轮叶片多轴铣削加工工艺参数数据库,为工艺参数优化提供合理的选择依据。 综上,本文的研究为实现离心叶轮叶片五轴数控高效高精加工提供了科学的解决方案,为提升我国离心叶轮的整体加工工艺水平奠定了理论基础。


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