整体叶盘砂带磨抛工具系统研究

【摘要】航空发动机技术是航空工业和制造业强国综合实力的重要体现。衡量航空发动机性能的突出指标是推重比。整体叶盘是提高推重比的核心部件，高性能的发动机中涡轮、风扇、压气机均大量采用整体叶盘结构。整体叶盘虽然减少了零件数量、降低了重量，但是复杂的自由曲面、狭窄的叶片间通道造成整体叶盘加工困难。提高整体叶盘的叶型精度和表面粗糙度一直是科技人员追求的目标。整体叶盘有多种加工方法，其中铣削是应用最广泛的成型方法。铣削后叶片型面上会留有大量影响气动性能的刀痕，需要磨抛加工去除。国外在整体叶盘自动化磨抛领域比较领先，国内研究相对滞后，人力手工磨抛仍是主要的加工方法。手工磨抛效率低、质量差、一致性难以保证，而自动化磨抛设备又匮乏，严重影响了我国航空发动机技术水平的提高。砂带磨抛是一种质量好、效率高、经济实用的方法，在单体叶片磨抛领域应用广泛，但考虑到可能存在的干涉难题，在整体叶盘上的应用几乎没有。因此，论文针对开式整体叶盘自动化磨抛，开发一种新型砂带工具系统就具有重要意义。根据开式整体叶盘的构型特点，结合龙门结构机床和卧式加工机床的结构特征，确定了工具系统磨抛加工所需的五个运动自由度；提出了四套工具系统方案，其中一套方案是以砂轮作为磨抛工具，压电陶瓷、柔性铰链作为力控制元件的柔性磨抛工具系统，另外三套方案是以砂带作为磨抛工具，按照不同工具分别磨抛叶盆面和叶背面的思路，确定不同的砂带接触方式组合；介绍了砂带的磨抛机理和工艺性，确定了磨抛的主要工艺参数。按照不同砂带包角的接触轮分别磨抛整体叶盘两侧型面的规划方案，设计了一套新型的砂带磨抛工具系统。确定了工具系统的尺寸、安装方式；完成了磨抛机构、驱动机构、张紧机构、力控制机构的结构设计、选型计算；介绍了工具系统磨抛作业时的空间运动情况；利用三维建模软件完成了全部零部件的设计、虚拟装配和分析；利用有限元软件分析了工具系统的静力学特性和振动特性。所设计的工具系统结构简单、经济实用、利于推广。砂带磨抛整体叶盘的最大难点在于存在砂带与叶盘发生干涉的危险，影响干涉状况的主要因素是接触轮的砂带包角。课题在设计工具系统结构时针对课题整体叶盘样件采用几何包络的方式确定砂带包角。论文介绍了一种估算避免砂带与叶盘干涉的接触轮砂带包角范围的方法，该方法的优点是可以只通过整体叶盘三维数字模型，利用其上一个叶片的几个截面的数据点坐标进行包角范围计算。该方法中运用了坐标变换、曲线拟合、数值计算，可以为工具系统结构设计提供支持，具有普遍适用性，突破了“砂带不适合磨抛整体叶盘”的束缚，拓展了砂带在开式整体叶盘磨抛加工领域的应用。
【作者】刘春辉；
【导师】王昕；
【作者基本信息】吉林大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】整体叶盘；砂带磨抛；工具系统；干涉分析；砂带包角估算；

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