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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

考虑区间不确定性的转子叶尖间隙预测数字孪生模型

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航空学报 2024年

作者：张譍之孙惠斌颜诚刘萌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中国航发南方工业有限公司

为了实现不确定性条件下的转子叶尖间隙高保真建模与高精准预测。首先，分析了转静子装配过程中的不确定性来源、类型及表现形式；其次，建立了考虑区间不确定性的转子叶尖间隙预测数字孪生模型，描述了实体空间中转静子装配及测量过程... 详细信息

为了实现不确定性条件下的转子叶尖间隙高保真建模与高精准预测。首先，分析了转静子装配过程中的不确定性来源、类型及表现形式；其次，建立了考虑区间不确定性的转子叶尖间隙预测数字孪生模型，描述了实体空间中转静子装配及测量过程，虚拟空间中的装配精度表征模型与转子叶尖间隙预测模型；再次，分别介绍了处理足量统计信息和稀疏统计信息的确定性表征模型与区间表征模型，构建了考虑不确定性的转子叶尖间隙预测模型并提出了预测更新方法；最后，以某发动机转静子装配过程为例，评价了转子叶尖间隙预测与更新的准确性与清晰度，并对比了确定性预测与不确定性预测的结果。结果表明，所提方法可实现数字孪生驱动的转静子装配过程高保真建模与高精准预测。

关键词：转子叶尖间隙高保真建模多源不确定性数字孪生装配精度预测

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钛合金离心叶轮多工艺状态下的疲劳特性研究

机械科学与技术 2024年第7期43卷 1132-1141页

作者：吴泽刚王泽宇于加辉李靖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 中国航发哈尔滨东安发动机有限公司哈尔滨150066

离心叶轮叶片的疲劳强度是叶轮叶片表面完整性各特征量的综合作用结果,不同工艺参数的叶片表面完整性状态也不相同,带来不同的疲劳特性。本文重点研究精密切削和喷丸强化对钛合金(TC11)离心叶轮叶片疲劳特性的影响规律,根据不同工艺状... 详细信息

离心叶轮叶片的疲劳强度是叶轮叶片表面完整性各特征量的综合作用结果,不同工艺参数的叶片表面完整性状态也不相同,带来不同的疲劳特性。本文重点研究精密切削和喷丸强化对钛合金(TC11)离心叶轮叶片疲劳特性的影响规律,根据不同工艺状态下叶轮叶片疲劳强度试验反馈数据,开展基于离心叶轮结构特征的形性优化设计,并通过振动疲劳试验,采集循环次数3×10^(7)的叶轮叶片疲劳强度值,试验结果表明优化设计后的叶轮叶片疲劳强度提升15%,对新研型号的离心叶轮加工参数优化和结构设计优化具有重要指导意义。

关键词：钛合金离心叶轮表面完整性疲劳强度形性优化

TC4钛合金样品硬度对激光诱导等离子体温度的影响研究

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量子电子学报 2024年第3期41卷 522-532页

作者：杨楠程天乐史广源皮雨欣崔敏超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陕西西安710072 西北工业大学机电学院陕西西安710072

钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀等优良特性,目前已被广泛应用于压气机盘和叶片制造等航空制造领域。然而,钛合金材料的硬度较低,在服役过程中极易出现摩擦损耗等问题,从而降低部件的使用寿命。因此,原位、实时的硬度监测对钛合金部... 详细信息

钛合金具有密度小、强度高、耐腐蚀等优良特性,目前已被广泛应用于压气机盘和叶片制造等航空制造领域。然而,钛合金材料的硬度较低,在服役过程中极易出现摩擦损耗等问题,从而降低部件的使用寿命。因此,原位、实时的硬度监测对钛合金部件在使用过程中的性能评估具有重要意义。本工作利用激光诱导击穿光谱(LIBS)对TC4钛合金样品热处理后的不同硬度进行了表征。实验结果发现,随着样品硬度增大,材料的激光诱导等离子体温度呈上升趋势,表明激光诱导等离子体温度可以作为金属硬度的重要表征参数。研究还进一步探究了材料硬度变化对等离子体温度影响的内在机理。

关键词：光谱学硬度检测激光诱导击穿光谱等离子体温度 TC4钛合金

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

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

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中国航发西安航空发动机有限公司

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... 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5.51×105降低到3.38×105，降低率约38.66%；表面粗糙度小于0.4μm时表面硬化可提升试件疲劳寿命，超过0.4μm时表面硬化对疲劳性能影响不显著；形貌测试表明随表面粗糙度升高，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

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圆弧端齿齿面加工偏差对配合状态的影响

航空动力学报 2024年第5期39卷 253-261页

作者：孙帅孙惠斌付玄童浩颜诚西北工业大学机电学院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 中国航发四川燃气涡轮研究院四川绵阳621000 中国航发南方工业有限公司湖南株洲412002

为了优化圆弧端齿装配工艺,对圆弧端齿齿面加工偏差对齿面配合状态的影响机理进行了研究。根据圆弧端齿加工原理,研究了关键成型参数对齿面偏差的影响规律,建立了圆弧端齿装配初始齿面间隙模型,研究了齿面偏差对端齿盘装配初始齿面间隙... 详细信息

为了优化圆弧端齿装配工艺,对圆弧端齿齿面加工偏差对齿面配合状态的影响机理进行了研究。根据圆弧端齿加工原理,研究了关键成型参数对齿面偏差的影响规律,建立了圆弧端齿装配初始齿面间隙模型,研究了齿面偏差对端齿盘装配初始齿面间隙的影响规律。理论研究和试验研究表明:齿面偏差是导致装配初始齿面间隙的直接原因。通过优化安装相位能使装配初始齿面间隙的均值减小18%,方差减小25%。为圆弧端齿连接结构装配精度形成原理与装配工艺优化研究提供基础,对于提高圆弧端齿连接的航空发动机转子装配品质具有重要的意义。

关键词：圆弧端齿装配工艺齿面偏差齿面间隙配合状态

金属封严环数字孪生几何模型框架的开发与应用

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机械科学与技术 2024年第7期43卷 1158-1167页

作者：裴昊男张璞玉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

金属封严环广泛应用于航空发动机密封系统,其型面成形质量对飞行器高性能、高可靠服役具有重要影响。然而,薄壁、复杂的异形截面与封闭的环形结构等导致其在几何质量检测方面存在以下问题:其一,成形结果严重依赖于破坏性抽样终检,实际... 详细信息

金属封严环广泛应用于航空发动机密封系统,其型面成形质量对飞行器高性能、高可靠服役具有重要影响。然而,薄壁、复杂的异形截面与封闭的环形结构等导致其在几何质量检测方面存在以下问题:其一,成形结果严重依赖于破坏性抽样终检,实际产品均未经过完整质量检测;其二,成形过程无几何质量检测手段,无法及时发现成形缺陷,轮廓几何数据的缺失,使工艺优化设计困难。因此,提出一种金属封严环数字孪生几何模型框架,该框架包括:物理空间、虚拟空间、交互空间与服务,可提供在机测量平台标定、截面轮廓测量、点云数据预处理、截面几何特征计算、三维数模快速构建、三维型面动态测量与偏差计算等连续成形质量在线检测技术,建立起反映金属封严环成形过程中变化的数字孪生几何模型,从而为金属封严环成形质量的检测、分析、预测以及后续工艺优化设计所需的基础数据获取等提供支撑。在此基础上,研制了在线检测模拟试验装置与数字孪生软件,介绍了金属封严环数字孪生几何模型的应用情况。

关键词：数字孪生几何模型金属封严环成形质量在线检测