磨料水射流加工整体式涡轮叶盘的研究

作     者：黎明河 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱洪涛

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：磨料水射流 整体式涡轮叶盘 自由曲面 微分几何 有限元仿真 

摘      要：整体式涡轮叶盘是航空发动机最为核心的零件。而整体叶盘由一些具有不规则自由曲面形状的叶片周期性排列而成,其叶片型面的设计和制造水平在很大的程度上决定了发动机的性能。因此关于叶片的加工是生产制造中的难点和重点所在,其中在整体叶盘的通道粗加工中材料的去除量占有整个叶盘完整加工过程中的大部分材料去除量。因此,采用一个高效率和高成形质量的粗加工方法在整个涡轮叶盘的加工过程中至关重要。本课题采用具有对加工材料无选择性,无热响应对材料性能无物化影响的新型射流加工方法——磨料水射流,研究以该工艺对整体式涡轮叶盘的粗加工方法。本文首先针对整体式涡轮叶盘叶片的自由曲面,进行了关于其曲面特征的几何特点进行了分析。并建立了其近似的几何模型,通过该模型利用微分几何的相关知识结合计算机图形学的方法。分析了叶片曲面的几何特征,基于该特征,提出了加工整体式涡轮叶盘叶片曲面的数学几何判据,并利用该判据针对叶片曲面进行了分析,提出了适用于磨料水射流加工特点的两种叶片曲面加工策略。即以切向加工为主的凸面曲线切向加工以及以控制材料去除率为主的铣削加工策略。并以此来对模型进行了改进,改进后的模型其曲面的性质要更适合于磨料水射流的加工特点。在之后对典型的叶背(凸)曲面形式进行了分类,并总结出不同曲面特点时的磨料水射流切线切割加工的限制和路径生成方法,并对此进行了相关的仿真及实验研究。发现影响射流切线加工凸面的加工效果的因素:既存在自身模型的曲面特征的影响,也有射流加工的自身缺陷的影响。并针对此结论对该模型进行了进一步的针对磨料水射流加工特点的工艺化改进。为进一步对涡轮叶片的叶盆曲面进行加工,本文通过研究磨料水射流加工材料的冲蚀去除机理,采用有限元仿真及量纲分析的方法。通过对不同的钢材材料建立了具有不同本构的有限元模型,并进行了相关的仿真。研究了磨料水射流去除塑性金属材料的高速微观响应,并针对上述仿真的内容设计了相关的单因素及正交实验,对不同的材料进行了相关的材料去除率实验研究。通过量纲分析法分析该实验结果,建立了相关的材料去除率的经验模型。以此为依据提出磨料水射流定去除量的加工方式并对此进行了仿真分析。最后对整体式涡轮叶盘的磨料水射流加工轨迹的生成进行了相关的研究。初步确定了磨料水射流粗加工过程中的确定刀轴方向的原则。并以此对优化后的模型叶间通道的约束进行了防干涉计算,并分析所需的加工运动形式,最后对粗加工过程进行了仿真验证。生成了相应的整体式涡轮叶盘的磨料水射流粗加工路径。