双级带冠整体涡轮叶盘数控电火花加工路径规划

摘要

涡轮叶盘采用整体式结构能够提高发动机的系统效率，是新一代高性能航空航天发动机的必然趋势。双级带冠整体涡轮叶盘是为新一代高性能液体火箭发动机中设计的新型结构件，具有结构通道狭小、叶片扭曲、材料可加工性差以及两级间距小等特点，传统数控切削加工时刀具可达性差，使其制造变得异常困难。多轴数控电火花加工以其自身独特的优势被公认为是加工叶盘的有效方法，其关键核心是找到一条无干涉的电极进给路径。 本文针对双级涡轮叶盘数控电火花加工中的关键问题展开研究，包括双级涡轮叶盘三维参数化造型、电极设计及其运动路径规划。双级涡轮叶盘作为整体结构直接进行三维参数化造型相对较困难，对其结构进行分解，详细论述了直纹和弯扭两种类型叶片的造型方法，分别构造轮毂、叶冠和叶片实体，通过布尔运算对实体进行合并实现了双级涡轮叶盘的三维参数化造型。在对双级涡轮叶盘三维造型后，通过对双级涡轮叶盘的结构特点进行分析，确定采用成型电极的加工方案。根据叶片通道结构特点完成电极的初始设计，提出减高减厚设计、轴向剖分和径向剖分以及电极预损耗补偿区设计等优化方法。提出了逆向搜索算法，对成型电极加工双级涡轮叶盘叶片通道时的进给运动路径进行规划。将电极进给路径规划问题离散化，通过初步优化和深度优化，使电极在叶片通道中进行平移和旋转运动，获取厚度最优的成型电极及其最优位置姿态，并生成NC路径，将其用于叶片通道的加工中。基于以上研究，利用Qt、ACIS和Open Inventor为双级涡轮叶盘开发了专用的CAD/CAM系统。 最后，在开发的系统中，以航天某公司为某型号高性能液体火箭发动机中设计的双级涡轮叶盘为研究对象，根据给定的设计数据，完成了双级涡轮叶盘三维几何造型、电极设计和运动路径规划，通过获得的成型电极及规划的运动路径可以加工出符合精度要求的叶片通道型面，充分验证了本文所提出的方法是正确、可行的。

目录

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 整体涡轮叶盘加工技术现状

1.2.2 电极辅助设计模块现状

1.2.3 加工路径规划技术现状

1.3 论文结构与研究内容

1.3.1 论文结构

1.3.2 主要研究内容

2 双级涡轮叶盘三维参数化造型

2.1 涡轮叶片的造型

2.1.1 描述叶片型面坐标系

2.1.2 直纹叶片造型

2.1.3 弯扭叶片造型

2.2 双级涡轮叶盘的完整造型

2.3 本章小结

3 双级涡轮叶盘数控电火花加工电极设计

3.1 成型电极设计

3.1.1 成型电极造型基础

3.1.2 成型电极造型设计

3.2 成型电极优化设计

3.2.1 电极的减高减厚设计

3.2.2 电极的剖分

3.2.3 电极预损耗区设计

3.7 本章小结

4 复杂型面电极进给运动路径规划

4.1 电极进给轨迹搜索

4.1.1 轨迹搜索问题描述

4.1.2 轨迹搜索的阶段划分

4.1.3 轨迹搜索算法

4.2 NC路径生成

4.3 本章小结

5 系统开发与实现

5.1 系统开发平台介绍

5.1.1 Qt图形用户界面工具

5.1.2 ACIS三维几何造型引擎

5.1.3Open Inventor图形软件开发包

5.2 系统开发

5.2.1 叶盘造型模块

5.2.2 电极设计模块

5.2.3 加工编程模块

5.2.4 动态显示模块

5.3 应用案例

（1）叶盘造型

（2）电极设计

（3）加工编程

（4）动态显示

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录A 系统部分程序

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢