航空发动机空心风扇叶片砂带磨削材料精准去除方法研究

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航空涡扇发动机是现代主流飞机的动力来源,风扇叶片作为涡扇发动机进气道一级叶片,提供全部外涵道推力。叶片加工精度与表面质量直接决定着航空发动机服役性能及寿命,是制造中的关键问题。与实心叶片相异,空心风扇叶片拥有中空瓦楞式内部结构和复杂后掠式外部叶型,制造工艺需要同时满足叶片外形及壁厚精度要求。目前,国内空心风扇叶片制造处于预研阶段,前端制造采用的超塑成形/扩散链接(SPF/DB)工艺容易导致叶片成形一致性低、加工余量不均,对后续精加工造成极大困难;末端加工技术仍普遍采用人工抛磨,其加工表面质量稳定性差,一致性低,难以实现稳定批产。砂带磨削作为一种兼具磨削与抛光功能的柔性加工方法,具有高效、冷态、自适应等优点,已广泛应用于航发叶片加工领域。但空心风扇叶片因其毛坯误差大、廓形壁厚双约束、大面积型面导致磨具磨损量大等特点,当前还难以直接使用砂带磨削进行加工。因此,本文以航发空心风扇叶片为对象开展砂带磨削应用基础研究,具体研究内容如下:(1)针对空心叶片加工的廓形壁厚双精度约束,以及传统廓形测量方法无法获取虑及壁厚的磨削加工余量的现状,提出基于工业CT的空心叶片的内外廓形精密检测方法;针对空心叶片结构特征,改进ICP配准算法以使其适配于空心叶片余量获取;以GOM软件为平台,开发局部最佳拟合配准模块,优化配准结果;基于配准结果进行空心叶片内外偏差分析和虑及壁厚的加工余量获取。(2)建立橡胶接触轮典型叶片型面接触状态仿真模型,分析接触倾角、曲率以及接触压力三个接触模型变量对接触斑特征的影响,归纳典型接触压力分布状态特征;提出基于几何干涉的接触边界计算方法和基于几何特征的压力分布计算方法,仿真分析该方法在不同接触压力、橡胶层厚度以及橡胶弹性模量下的适用性;使用富士感压纸测量系统和数控机床平台进行接触实验,验证该方法的准确性,结果表明压力分布检测结果和计算结果误差小于12.6%。(3)提取砂带表面磨粒形貌特征,构建单磨球顶圆锥理论模型;基于磨粒高度的正态分布特征,求解磨削局部多磨粒最大切入深度;基于压力分布和时域叠加建立砂带磨削材料去除模型;进行砂带磨损全生命周期磨削实验,分析砂带磨损对材料去除的影响,添加磨损影响系数以修正材料去除模型;进行空心叶片砂带磨削实验及检测,验证本文空心叶片砂带磨削材料精准去除方法研究的准确性,结果表明廓形精度达到0.105 mm,表面粗糙度达到Ra 0.243μm,磨削实验达到加工要求。
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