镍基高温合金整体叶轮高效铣削工艺研究

摘要

微型涡喷发动机以其体积小、重量轻、低成本、高推力比等诸多优点，被广泛运用于巡航导弹、无人机等先进战略装备中，是小型航空装备的重要动力来源，其直径一般在350 mm以内，广泛采用了整体叶轮结构。目前小型整体叶轮多采用铸造工艺进行批量生产，然而在面临极高的使用性能要求或新型号试制时，铸造工艺难以胜任，数控铣削工艺则成为其关键研制手段。小型整体叶轮结构复杂，其叶型为变截面扭曲叶片，叶片长厚比大，流道上宽下窄，加工过程中极易发生过切和干涉，且其材料为镍基高温合金，加工过程切削力大，切削温度高，刀具磨损快，这给整体叶轮铣削工艺规划及切削参数的优化带来了极大的挑战。针对以上问题，本文以微型涡喷发动机镍基高温合金开式整体叶轮为研究对象，对其全流程数控铣削加工进行了以下研究工作：
　　针对小型整体叶轮的结构特征，对其数控铣削工艺系统各要素包括机床，夹具，刀具和毛坯进行了设计和选用，给出了刀具、夹具及毛坯的几何信息。基于CAM软件，完成了整体叶轮全流程数控铣削刀具路径规划，采用二次开粗加工方案，既提高了加工效率，同时确保了铣削刀具的合理使用。基于CAD软件，完成了整体叶轮数控铣削工艺系统数字化建模，编制了机床动力学特性描述文件，并在CAM环境下，进行了整体叶轮全流程数控铣削虚拟加工仿真，确定了工艺系统设计、工艺流程规划及刀具路径的合理性。
　　通过将三维铣削转换为斜角切削微元模型，建立了铣削过程瞬时切削力模型及切削温度经验模型，并采用有限元仿真软件对 GH4169斜角切削过程进行仿真，从而对整体叶轮数控铣削切削力及切削温度进行预测。以加工效率为优化目标，对整体叶轮数控铣削粗加工进行基于切削力约束的动态参数优化，实现粗加工效率提升87％以上；以加工精度为优化目标，对整体叶轮数控铣削精加工进行基于切削力、热约束的动态参数优化，利用频谱分析确定了对刀具磨损及刀具颤振影响更大的因素，优化后叶片表面切削力分布明显改善，为叶片表面加工质量的提高提供了重要基础。
　　通过铝合金叶轮数控铣削加工实验，对CAM编程过程中几何参数进行负反馈优化，解决了整体叶轮数控铣削加工过程中的过切、干涉等几何问题。进行了镍基高温合金整体叶轮全工艺流程铣削加工试验，得到了整体叶轮样件，并对叶片表面进行轮廓度误差及微观几何形状误差进行检测，结果表明叶片表面加工质量满足几何设计公差要求，由此完成了微型涡喷发动机镍基高温合金整体叶轮全流程铣削工艺应用。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2整体叶轮加工技术概述

1.3整体叶轮数控铣削加工研究现状

1.4镍基高温合金铣削加工研究现状

1.5镍基高温合金整体叶轮数控铣削加工主要问题

1.6本文的研究内容

第二章 整体叶轮全流程铣削加工工艺规划

2.1引言

2.2整体叶轮数控铣削工艺分析

2.3工艺系统设计及工艺流程规划

2.4本章小结

第三章 整体叶轮全流程刀具路径规划及虚拟加工过程仿真

3.1引言

3.2全工艺流程刀具路径规划

3.3虚拟加工过程仿真

3.4本章小结

第四章 基于切削物理模型的数控铣削参数优化

4.1引言

4.2三维铣削力热建模

4.3铣削过程力热有限元仿真

4.4数控铣削参数优化

4.5本章小结

第五章 整体叶轮铣削加工工艺应用

5.1引言

5.2数控铣削刀具路径调试

5.3整体叶轮数控铣削加工试验

5.4加工精度检测

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2主要创新点

6.3研究展望

参考文献

附录 机床动力学描述文件

附录 叶片检测报告

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

攻读硕士学位期间已公开或申请的专利

致谢