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基于激光模式调控的高强铝合金定向能量沉积成形工艺优化

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材料工程 2024年第7期52卷 44-56页

作者：史东来贾车旺孙刘铄赵宇凡杨海欧林鑫西北工业大学凝固技术国家重点实验室西安710072 西北工业大学金属高性能增材制造与创新设计工业和信息化部重点实验室西安710072

由于7075铝合金主要组成元素的沸点较低、熔体的表面张力梯度较大,加之定向能量沉积(DED)工艺中常用的圆形高斯分布(CG)激光束斑能量分布的不均匀性,导致7075铝合金DED试样的成形质量普遍不佳,这极大限制了7075铝合金DED的进一步应用。... 详细信息

由于7075铝合金主要组成元素的沸点较低、熔体的表面张力梯度较大,加之定向能量沉积(DED)工艺中常用的圆形高斯分布(CG)激光束斑能量分布的不均匀性,导致7075铝合金DED试样的成形质量普遍不佳,这极大限制了7075铝合金DED的进一步应用。通过激光光场模式调控,可以有效改变熔池的温度场、流场及其相应的凝固条件,从而提升激光增材制造试件的成形质量和微观组织的主动控制能力。采用离轴抛物积分镜将CG光场模式匀化为圆形平顶分布(CF)光场模式,并进一步将CF光场模式倾斜以获得横向椭圆平顶分布(TE)光场模式。利用这三种不同的光场模式激光分别制备了7075铝合金DED的单道熔覆、单壁墙及块体试样。结合数值模拟,揭示光场模式对成形质量及凝固组织的影响规律及其内在机理。模拟结果显示,将激光束斑从传统的CG光场模式调制为CF与TE光场模式后,激光在熔覆层表面的热通量均匀性得到显著改善,进而减小了熔体温度梯度,提高了凝固速率。与CG光场模式相比,成形质量方面,CF与TE光场模式下单壁墙和块体试样的表面成形质量得到显著提升,其中单壁墙的宽度变化大幅降低,块体试样水平方向的尺寸精度提高,此外块体试样的致密度分别从95.8%提升至97.2%与97.7%;凝固组织方面,织构得到显著弱化,并且晶粒尺寸减小约50%,同时晶粒内纳米析出相η相的数量也有所增加。

关键词：定向能量沉积高强铝合金光场模式调控成形质量微观组织

复杂产品智能设计与主动运维“双馈式”制造服务方法体系

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机械工程学报 2024年第6期60卷 127-136页

作者：任杉王晋赵欣张映锋西安邮电大学现代邮政学院西安710061 西北工业大学工业工程与智能制造工信部重点实验室西安710072

利用生命周期数据实现设计与运维协同是复杂产品开发和维护的主要模式,也是保证产品稳定、可靠运行的重要途径。在分析当前制造企业面临的挑战与现有制造服务模式研究不足的基础上,提出一种复杂产品智能设计与主动运维“双馈式”制造服... 详细信息

利用生命周期数据实现设计与运维协同是复杂产品开发和维护的主要模式,也是保证产品稳定、可靠运行的重要途径。在分析当前制造企业面临的挑战与现有制造服务模式研究不足的基础上,提出一种复杂产品智能设计与主动运维“双馈式”制造服务新模式,并设计相应的体系架构。提出并讨论上述新模式的关键技术体系,包括融合物联技术的制造与运维数据主动感知与增值计算、运维过程多源异构数据与知识工程融合的智能化设计、基于产品设计知识与运维过程感知的主动预防性维修等。通过上述技术的实施,可有效促进产品生命周期各阶段数据的交互共享和业务的协同优化,进而可构建一种生命周期数据泛在互联、设计前馈指导运维服务、运维反馈改进产品设计的闭环运作机制,以提升产品设计的智能化和产品运维的预见性。所提新模式和技术体系对生命周期数据驱动的智能制造研究和应用有重要借鉴价值。

关键词：产品生命周期智能设计主动运维双馈式制造服务

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薄壁结构加工误差预测与控制研究进展

航空制造技术 2024年第7期67卷 77-95页

作者：张瑞任军学张淑宁周金华西北工业大学航空发动机高性能制造工业和信息化部重点实验室西安710072

薄壁结构因质量轻、比强度高被广泛应用于航空航天领域,但因其结构复杂、刚性弱、材料去除率高等特点,铣削加工的零件成品容易出现形位误差,严重影响其使用性能,因此对薄壁结构加工误差的控制具有重要现实意义。通过对薄壁结构加工特点... 详细信息

薄壁结构因质量轻、比强度高被广泛应用于航空航天领域,但因其结构复杂、刚性弱、材料去除率高等特点,铣削加工的零件成品容易出现形位误差,严重影响其使用性能,因此对薄壁结构加工误差的控制具有重要现实意义。通过对薄壁结构加工特点进行分析,总结薄壁结构加工误差来源;根据加工误差来源介绍了薄壁结构不同类型的加工误差,即装夹定位、切削负载、切削振动、机床误差、残余应力以及多工序加工引起的加工误差;然后从这6个方面总结归纳薄壁结构加工误差的预测模型和控制方法;最后阐述了薄壁结构铣削加工误差控制方法的当前挑战和未来发展趋势。

关键词：薄壁结构加工误差多轴铣削变形预测与控制智能加工

服役温度影响的DD6单晶高温合金磨削/喷丸加工表面完整性演化规律研究

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机械工程学报 2024年第9期60卷 410-420页

作者：何喆黄新春宋艺辉史耀耀张兆顷史恺宁西北工业大学航空发动机高性能制造工业和信息化部重点实验室西安710072 西北工业大学航空发动机先进制造技术教育部工程研究中心西安710072 西北工业大学科学技术研究院西安710072

DD6单晶高温合金因具备优异的耐高温性和抗蠕变性,是航空发动机涡轮叶片的重要材料。喷丸是高温合金表面强化的重要工艺,可有效去除加工刀痕,提高材料表层组织硬度,改善材料疲劳性能。为改善DD6磨削、喷丸强化后的表面完整性状态,提高... 详细信息

DD6单晶高温合金因具备优异的耐高温性和抗蠕变性,是航空发动机涡轮叶片的重要材料。喷丸是高温合金表面强化的重要工艺,可有效去除加工刀痕,提高材料表层组织硬度,改善材料疲劳性能。为改善DD6磨削、喷丸强化后的表面完整性状态,提高工件服役性能,通过温度载荷影响实验研究,探究服役温度对DD6磨削、喷丸表面状态的影响规律。研究发现随温度升高,因表面材料产生重熔现象,导致表面形貌一致性下降,表面粗糙度增大,表层微观组织再结晶层变厚,其中表面形貌和微观组织变化受温度影响较为显著,且在喷丸强化后更为明显。采用SEM分析和EDS分析的方法对不同温度下的表面形貌和微观组织进行分析,确定影响表面形貌和粗糙度的因素主要为表面氧化现象和表层组织再结晶现象。通过分析发现表面氧化会造成表面元素流失,而表层微观组织再结晶会产生再结晶晶界,导致表层材料改性。故在加工时应考虑温度对材料表面完整性的影响合理控制磨削、喷丸工艺参数,降低微观组织损伤。研究成果为镍基单晶高温合金抗疲劳制造提供了理论依据。

关键词： DD6 服役温度表面完整性磨削-喷丸演化规律

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薄壁零件残余应力演化机理及变形控制方法

航空学报 2024年第13期45卷 186-196页

作者：张仲玺王帅钦赵慧娟张定华汪龙皓扬州大学机械工程学院扬州225009 西北工业大学航空发动机高性能制造工业和信息化部重点实验室西安710072

变形是难加工材料薄壁零件切削加工所面临的最主要挑战之一,整个工艺过程,零件残余应力随材料去除不断演化,导致最终零件的精度很难保证。针对薄壁零件切削加工变形问题,提出一种考虑工艺过程残余应力演化的薄壁零件变形控制方法。首先... 详细信息

变形是难加工材料薄壁零件切削加工所面临的最主要挑战之一,整个工艺过程,零件残余应力随材料去除不断演化,导致最终零件的精度很难保证。针对薄壁零件切削加工变形问题,提出一种考虑工艺过程残余应力演化的薄壁零件变形控制方法。首先,通过微元切片法建立了薄壁零件工艺过程简化模型,分析了零件夹紧点的载荷分布,建立了零件夹紧点等效载荷平衡方程;并基于变形叠加原理和微小变形理论,建立了零件夹紧点变形几何平衡方程;分析了工艺过程不同时刻的零件载荷分布情况,揭示了薄壁零件残余应力及其等效载荷演化机理。在此基础上,建立了工序间零件变形精确调控模型,实现了薄壁零件残余应力演化与最终变形控制。最后,设计了3组切削加工实验,分别采用不同加工工艺加工相同的薄板零件,实验结果表明,采用所提出的变形控制方法最大可降低加工变形82.2%。

关键词：薄壁零件残余应力演化机理平衡状态变形控制

叶片多尺度表面对压气机气动性能影响及其高性能制造研究进展

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航空学报 2024年第13期45卷 1-42,F0002页

作者：张定华何智伟张学宝罗明西北工业大学航空发动机高性能制造工业和信息化部重点实验室西安710072 西北工业大学航空发动机先进制造技术教育部工程研究中心西安710072 中国航发四川燃气涡轮研究院成都610500

叶片几何形状误差精细化控制、表面波纹度控制和布置合理的介微观仿生减阻结构是提升压气机叶片气动性能的有效手段,也是目前新一代航空发动机重点关注的方向之一。这类结构通常几何形状复杂,制造难度较大。首先,综述了叶片几何形状误... 详细信息

叶片几何形状误差精细化控制、表面波纹度控制和布置合理的介微观仿生减阻结构是提升压气机叶片气动性能的有效手段,也是目前新一代航空发动机重点关注的方向之一。这类结构通常几何形状复杂,制造难度较大。首先,综述了叶片几何形状误差、表面波纹度和介微观仿生减阻结构等不同尺度的表面特征对流场特性的改变以及不同尺度的表面结构特征对压气机气动性能的影响规律,分析了多尺度表面的制造工艺及其最新进展。其次,引出了气动性能约束下的压气机叶片高性能制造中对几何形状公差范围、表面波纹度以及介微观仿生结构制造技术的要求。最后,结合多尺度表面高性能制造发展现状,对进一步提升压气机叶片气动性能的研究内容与发展方向进行了展望。

关键词：多尺度表面几何形状误差表面波纹度仿生减阻结构气动性能高性能制造

DD5缓进磨削表面粗糙度和硬化率对疲劳性能影响研究

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中国机械工程 2024年第8期35卷 1472-1479页

作者：靳淇超包虎子李良万汪文虎张锦淇叶子银郭磊长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室西安710064 中国航发西安航空发动机有限公司西安710021 西北工业大学航空发动机高性能制造工业和信息化部重点实验室西安710072

为研究DD5镍基单晶高温合金缓进磨削表面粗糙度和硬化率对疲劳性能的影响规律及机理,设计实验并进行了试件磨削与疲劳性能测试。结果表明:表面粗糙度的增大引起应力集中加剧,导致疲劳性能降低,不同磨削工艺下表面粗糙度由0.347μm增大到... 详细信息

为研究DD5镍基单晶高温合金缓进磨削表面粗糙度和硬化率对疲劳性能的影响规律及机理,设计实验并进行了试件磨削与疲劳性能测试。结果表明:表面粗糙度的增大引起应力集中加剧,导致疲劳性能降低,不同磨削工艺下表面粗糙度由0.347μm增大到0.687μm,其疲劳寿命由5.51×10^(5)降至3.38×10^(5),下降率约38.66%;表面粗糙度小于0.4μm时表面硬化可提高试件疲劳寿命,表面粗糙度超过0.4μm时表面硬化对疲劳性能的影响不显著;形貌测试结果表明,随着表面粗糙度的提高,磨削表面耕犁产生的沟壑数量和深度均增大,疲劳载荷作用下磨削表面裂纹源数量增加、应力集中加剧,从而导致疲劳寿命降低。较小的表面粗糙度与较大的表面硬化率均可提高DD5缓进磨削疲劳性能。

关键词： DD5高温合金缓进磨削表面粗糙度表面硬化率疲劳性能断裂机理

W形金属封严环成形型面几何质量在机检测研究

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机械工程学报 2024年

作者：裴昊男杜思哲罗明西北工业大学航空发动机高性能制造工业和信息化部重点实验室西北工业大学航空发动机先进制造技术教育部工程研究中心

金属封严环是一种广泛应用于航空发动机的静密封结构件，其型面成形精度是保证航空发动机密封性能的关键，对减少发动机内流损失、提高发动机推重比具有重要意义。目前，金属封严环成形质量主要采用破坏性抽样终检，缺少成形过程几何质... 详细信息

金属封严环是一种广泛应用于航空发动机的静密封结构件，其型面成形精度是保证航空发动机密封性能的关键，对减少发动机内流损失、提高发动机推重比具有重要意义。目前，金属封严环成形质量主要采用破坏性抽样终检，缺少成形过程几何质量检测方法，导致无法及时发现其成形缺陷。为解决上述问题，开展了W形金属封严环成形型面几何质量在机检测方法的研究。提出了一种基于多层配准与距离阈值的异形截面轮廓测量点云预处理方法，解决了W形金属封严环截面轮廓测量点云存在的严重异常值、缺失与噪声叠加问题；提出了基于最小面积外接矩形的轮廓几何特征参数提取方法、基于中轴线的壁厚提取方法、基于曲率与预定位的圆特征参数提取方法，实现了封严环截面复杂几何特征的提取。集成所提方法，采用对位安装的双激光轮廓传感器搭建在机测量系统，开发了W形金属封严环在机检测软硬件模块。最后，通过某型W形金属封严环的六个成形道次样件的几何质量检测，验证了本文方法的准确性。与传统破坏性检测结果相比，轮廓几何特征参数的平均相对误差为1.350%，壁厚尺寸的平均相对误差为3.219%，圆特征参数的平均相对误差为1.372%。

关键词：金属封严环几何质量在机检测点云预处理特征提取

短精密螺栓连接结构组合偏心预测及安装相位优化

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航空动力学报 2024年第7期39卷 56-65页

作者：张譍之孙惠斌颜诚况侨西北工业大学航空发动机高性能制造工业和信息化部重点实验室西安710072 西北工业大学陕西省"四主体一联合"航空发动机智能装配技术校企联合研究中心西安710072 中国航发南方工业有限公司湖南株洲412002 中国陆装驻株洲地区航空军事代表室湖南株洲412002

为了有效提高短精密螺栓连接结构的装配精度,分析了两级盘组合后形心、质心偏心影响因素,阐述了两级盘配合过程中的平动转动行为和定心原理,建立了两级转子形心偏差预测模型、初始不平衡量预测模型.提出了以短精密螺栓连接的转子盘安装... 详细信息

为了有效提高短精密螺栓连接结构的装配精度,分析了两级盘组合后形心、质心偏心影响因素,阐述了两级盘配合过程中的平动转动行为和定心原理,建立了两级转子形心偏差预测模型、初始不平衡量预测模型.提出了以短精密螺栓连接的转子盘安装相位为变量,形心偏心和初始不平衡量最小为优化为目标的工艺优化模型,通过实物实验进行了验证.结果表明:形心偏差模长最大相对误差为13.28%,组合不平衡量的计算结果精度最大提高了 37.3%,工艺优化结果与实验结果相符,对于短精密螺栓连接结构装配工艺优化具有重要的参考意义.

关键词：短精密螺栓同心度不平衡量安装相位工艺优化