气膜冷却孔电火花加工用主轴机构优化设计

摘要

航空发动机是飞机性能、可靠性和成本的决定性因素。为了使叶片在高温环境中稳定可靠的工作，目前航空发动机主要采用气膜冷却技术对叶片进行降温。气膜冷却技术实现的关键在于气膜孔的加工。涡轮叶片气膜孔孔径为Φ0.2mm～Φ0.8mm，深径比为5～8，单个叶片上数量达到几十到几百个，高性能主轴是保证电火花加工气膜孔质量与效率的关键部件。利用中空管状电极高压内冲液的电火花穿孔加工，可及时更新工作液并快速排出电蚀产物，通过细长电极旋转和轴向伺服进给，可实现气膜孔的高效批量化加工。因此设计一种可实现不同直径管状电极夹持与高压工作液供给（P≤10MPa），同时可实现电极自动补偿功能的高精度旋转主轴，对于提高气膜孔加工的自动化程度及批量化加工效率具有重要意义。
　　通过国内外相关技术调研和清华大学制造工程研究所微纳制造实验室现有设备使用情况，得到主轴机构的具体结构、功能需求，按功能分模块对高速电火花加工主轴进行设计、分析和优化。提出一种可实现Φ0.3mm～Φ0.8mm管状电极稳定夹持、冲液压力连续可调范围为0～10MPa、高精度旋转及损耗自动补偿的主轴机构设计方案，并且对加工中管状电极振动影响气膜孔加工精度机理就行了深入的分析。
　　该主轴采用单通道旋转接头和高性能导电滑环实现了工作液压力（≤10MPa）持续供给和加工电源（U≤300V、I≤30A）的稳定引入；通过八瓣弹性夹子和柔性气囊实现不同直径管状电极的夹持，配合蠕动进给机构实现了管状电极损耗的自动补偿；高精度旋转角接触轴承和小间隙导向器的选取实现了管状电极的高精度旋转。利用Ansys Workbench有限元分析软件分析了导向间隙、冲液压力、加工深度、电极悬长、主轴转速、放电间隙等关键因素对放电加工状态下管状电极振动的影响规律及其作用曲线。并且对主轴机构的关键零部件的应力、应变以及最大变形量进行了数值仿真分析，实现了零件结构、尺寸优化。
　　通过阵列孔加工实验验证了主轴机构的加工性能。选用直径Φ0.3mm～Φ0.8mm、长为400mm的黄铜管状电极，在厚度为3mm的高温镍基合金（Inconel738）上加工4×4阵列直圆孔、台阶孔、不同孔径小孔实验，验证了主轴机构不同直径管状电极的夹持能力、高压工作液供给能力、高精度旋转及损耗的自动补偿功能。

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1绪论

1.1 气膜冷却原理及气膜孔加工要求

1.2 气膜孔主要加工方法及现状分析

1.3 气膜孔电火花加工研究进展及分析

1.4 研究现状小结

1.5 课题来源及本课题的主要研究内容

2管状电极振动幅值特性研究

2.1 气膜孔加工中空管状电极物理及仿真建模

2.2 中空冲液电极振动特性数值仿真分析

2.3 电火花穿孔过程实验验证

2.4 本章小结

3蠕动式复合功能主轴机构原理方案设计及优化

3.1 主轴机构功能需求及前期主轴机构问题分析

3.2 蠕动式复合功能主轴原理设计与方案分析

3.3 机构方案设计涉及因素总结分析

3.4 主轴机构总体方案确定

3.5 本章小结

4蠕动式复合功能主轴机构具体结构设计及分析

4.1 主轴机构具体结构组成

4.2 主轴密封模块结构组成及分析

4.3 常闭夹子模块设计及分析

4.4 常开夹子模块分析及控制气路设计

4.5 主轴加工电源可靠引入及其电气绝缘实现方式

4.6 本章小结

5蠕动式复合功能主轴装配及性能测试

5.1 主轴本体装配及其径跳检测

5.2 主轴机构密封性能测试

5.3 主轴常闭夹子模块与常开夹子模块夹持性能测试

5.4 主轴性能验证实验

5.5 本章小结

6结论

6.1 研究总结

6.2 研究工作展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间所获学术成果

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