发动机叶片喷丸强化装置结构优化与应用

摘要

提高发动机叶片强度的方法主要有喷丸强化、抛丸强化、高压水射流表面强化、超声波表面强化等，它们都依托其各自特点各具优势，而喷丸强化处理在实现发动机叶片表面强化方面具有喷丸强度高、喷丸质量好、喷丸成本低等优势，得到了国内外广大学者的青睐。目前发动机叶片喷丸强化装置已开始在叶片质量改善、叶片修复、叶片防护中得到了广泛的应用，但存在的问题也是不可忽视的，普通喷丸装置难以完成薄壁复杂曲面的多角度喷丸工作。提高喷丸强化效果，降低生产成本，发展喷丸强化新装置已成为当前急需解决的问题。
　　本文对喷丸强化装置的关键部件进行优化，通过对喷嘴、发动机叶片夹具、喷丸工作台、带轮传动机构等的结构设计，实现超薄复杂曲面叶片的装夹及叶片的多角度喷丸，并使用 Solid works软件建立了发动机叶片喷丸强化装置的三维实体模型。针对上述关键零部件通过有限元模拟分析，实现其结构优化，在提高叶片表面强化效果的同时实现成本最小化。
　　运用离散元软件 EDEM对弹丸在喷嘴出口的速度进行仿真分析，研究不同类型的喷嘴和不同直径的弹丸对速度的影响。仿真结果表明：直径为0.3mm的弹丸在文丘里喷嘴的出口速度最接近优化目标值。在喷丸最优速度下，运用 EDEM仿真分析得出满足最优喷丸速度的喷嘴通径、喷嘴长度、喷嘴扩散角的范围，喷嘴通径的最优范围在6.4～9.5mm，喷嘴长度的最优范围在70～86mm，喷嘴扩散角的最优范围在7°～9°。运用正交试验技术，研究弹丸在喷嘴出口速度与喷嘴通径、喷嘴长度、喷嘴扩散角的相互关系，得到优化后文丘里型喷嘴的通径为9.5mm，喷嘴的长度为70mm，喷嘴的扩散角为8°。
　　运用有限元分析软件Workbench对普通滚珠式、改进的行星式喷丸工作台的应力、应变和总变形进行仿真分析，仿真结果表明：在相同载荷条件下行星式喷丸工作台的多点支撑可有效分散作用载荷，较滚珠应力集中的滚珠式工作台，其最大应力和最大应变值都有所减小，提高了工作台的寿命。对改进后的齿轮机构进行齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的校核，校核结果显示：齿轮机构的强度符合要求。改进后的行星式工作台节省了调整叶片位置的时间，实现了一次装夹、多角度喷丸处理效果，有效的提高了喷丸效率。
　　对丸料回收提升机构关键零部件进行结构优化，通过强度校核、Workbench有限元模拟分析，得到在工作载荷下，优化后主轴直径在53mm时，最大应力值为310.8MPa，最大应变为1.6×10-3；优化后的带轮筋板厚度11mm时，最大应力值为305.2MPa，最大应变为1.5×10-3，均满足材料的屈服极限要求。上述结构的优化，使提升机构满足强度要求保证运行安全的同时，有效减轻了零件重量、降低了制造成本。
　　本文对优化后喷丸强化装置进行了应用试验，通过对45钢曲面叶片进行喷丸强化和喷丸表面的超景深观测、硬度测量、残余应力测量，分析了优化后喷丸装置喷打叶片的三维形貌、力学性能和残余应力与喷丸时间的变化关系，发现优化后的喷丸装置对发动机叶片表面强化起到了明显效果，硬度得到较大提高的同时各部位粗糙度减小并趋于一致，有效的残余应力值得到明显提高，实现了喷丸强化装置对发动机叶片喷丸强化的应用。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1课题背景及研究意义

1.2 喷丸强化技术的研究进展

1.3 喷丸强化装置的研究进展

1.4 发动机叶片喷丸强化工艺研究现状

1.5 课题的技术路线

1.6 本文的主要研究内容

第二章 发动机叶片喷丸强化装置结构设计

2.1喷打部分的设计

2.2丸料回收部分的设计

2.3 本章小结

第三章 喷嘴的仿真分析及结构优化

3.1基于离散元法的EDEM软件

3.2基于EDEM软件的喷嘴优化设计

3.3本章小结

第四章 喷丸工作台的仿真分析和优化设计

4.1 Workbench软件简介

4.2原工作台有限元仿真分析

4.3优化后传动齿轮强度校核计算

4.4优化后工作台的仿真分析

4.5本章小结

第五章 提升机构主轴及带轮仿真分析和优化设计

5.1提升传动机构简介

5.2轴的优化设计

5.3 带轮的优化设计

5.4本章小结

第六章 发动机叶片喷丸强化装置应用

6.1喷丸强化装置的应用试验

6.2喷丸强化装置在叶片修复和叶片防护上的应用

6.3本章小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

附录