航空發(fā)動機(jī)葉片專用制造裝備設(shè)計研究*

劉翠煜，鐘建琳

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

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航空發(fā)動機(jī)葉片專用制造裝備設(shè)計研究*

劉翠煜，鐘建琳

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

航天技術(shù)的競爭愈演愈烈，制造業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)力量，是國際間競爭的關(guān)鍵性因素。葉片是飛行器發(fā)動機(jī)的重要組成部分，需具有高的精度和加工質(zhì)量。文章以五軸聯(lián)動葉片加工中心為例，對其結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了動態(tài)特性分析，并對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。最后通過優(yōu)化前后結(jié)果對比分析，驗證了優(yōu)化的合理性和可行性，為今后的設(shè)計提供了一定的參考。

葉片；加工中心；動態(tài)特性；優(yōu)化設(shè)計

0　引言

科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，航空制造領(lǐng)域的先進(jìn)性成為了影響國家國際地位的又一重要標(biāo)志。航空發(fā)動機(jī)的葉片屬于高、精、尖產(chǎn)品，多年來高精度和高表面質(zhì)量的自由曲面零件的加工一直是制造業(yè)的難點。目前，國內(nèi)、外對葉片制造進(jìn)行了大量的研究，主要包括以下三個方面：①運(yùn)用計算機(jī)分析手段對葉片進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計[1-4]；②優(yōu)化葉片生產(chǎn)過程的加工工藝，選取適當(dāng)加工參數(shù)和加工方法；③提高葉片制造設(shè)備的性能，保證其加工質(zhì)量。其中，提高制造裝備研究的主要手段之一就是機(jī)床動態(tài)特性研究。本文即從改善制造裝備入手，通過應(yīng)用計算機(jī)輔助軟件對某單位自主研發(fā)的航空發(fā)動機(jī)葉片專用生產(chǎn)設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化來提高機(jī)床的動態(tài)特性，改善葉片加工質(zhì)量。驗證合理的優(yōu)化設(shè)計，不但提高了本臺機(jī)床的性能，為今后機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計尤其是主要受力部位設(shè)計也提供了一定的參考。

1　機(jī)床設(shè)計

研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品的制造成本超過 70%是在設(shè)計階段被決定的，但設(shè)計階段的成本僅占整個開發(fā)階段的6%，由此可見設(shè)計階段對產(chǎn)品的發(fā)展十分重要[5]。機(jī)床是制造業(yè)的基本裝備，其設(shè)計可以劃分為產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和工藝設(shè)計四個階段。傳統(tǒng)的設(shè)計方法在功能、周期及成本方面已經(jīng)無法滿足新的需求。現(xiàn)代設(shè)計理論采用先進(jìn)的CAD/CAE技術(shù)，結(jié)合有限元對產(chǎn)品進(jìn)行分析、優(yōu)化，省去了產(chǎn)品樣機(jī)反復(fù)試制、測試及改進(jìn)過程，提高產(chǎn)品的動態(tài)性能的同時，有效縮短了設(shè)計周期，實現(xiàn)了企業(yè)低成本快速響應(yīng)市場、產(chǎn)品批量化生產(chǎn)及大規(guī)模生產(chǎn)條件下的個性化需求[6]。

2　葉片加工中心設(shè)計

葉片是發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)的主要組成部件，其形狀、強(qiáng)度以及抗熱疲勞等性能決定了發(fā)動機(jī)的工作效率和使用壽命。五軸聯(lián)動加工中心是目前更高效、高精的數(shù)控加工設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密、自動化加工，特別是在解決葉輪、葉片等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢[7]。

2.1葉片加工特點及設(shè)計要求

應(yīng)用環(huán)境的特殊需求使得發(fā)動機(jī)葉片一般設(shè)計的比較薄，本文加工中心生產(chǎn)的葉片，長約26.5mm，寬約28.8mm，前后緣轉(zhuǎn)接R0.1～0.3，輪廓度R0.05～0.08，結(jié)構(gòu)如圖1所示。葉片的表面為自由曲面，采用數(shù)控銑削方法加工時容易產(chǎn)生較大的加工變形[8]。為滿足發(fā)動機(jī)高耐熱性、高強(qiáng)度的使用要求，本文加工的葉片即采用性能較好的高溫鎳基合金材料GH4169，其加工需要的切削力大，導(dǎo)致切削溫度較高，易造成切屑與刀具粘連以及機(jī)械的磨損，因此，對加工機(jī)床的性能提出了更高的要求。

圖1　葉片

2.2葉片加工中心尺寸及參數(shù)設(shè)計

根據(jù)本文葉片的結(jié)構(gòu)特點，國內(nèi)某單位研制開發(fā)了葉片專用五軸聯(lián)動加工中心如圖2所示。該加工中心能夠?qū)崿F(xiàn)X、Y、Z軸及 A、C 軸聯(lián)動，X、Y、Z 軸直線移動距離分別為300mm、250mm、300mm，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)24000r/min，移動部件盡量采用方形框架結(jié)構(gòu)，整體采用對稱結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較高。

圖2　葉片加工中心示意圖

3　葉片加工中心結(jié)構(gòu)分析

在高速切削加工過程中，機(jī)床各結(jié)構(gòu)部件的動態(tài)性能將直接影響機(jī)床的精度、抗振性能、切削效率以及壽命[9]，從而影響到零件表面成形運(yùn)動軌跡的準(zhǔn)確性。因此，對加工中心重要構(gòu)件的動、靜態(tài)特性進(jìn)行了分析。

3.1床身動態(tài)特性分析及優(yōu)化

3.1.1床身模型簡化與處理

使用三維軟件進(jìn)行模型簡化，例如刪除小孔、倒角和圓角等特征，對小曲率、小錐度的直線和平面進(jìn)行處理等。該床身與地面間通過M16的地腳螺栓連接，采用線性彈簧-阻尼單元法進(jìn)行建模。根據(jù)張學(xué)良[10]建立的數(shù)學(xué)模型對螺栓結(jié)合面剛度特性進(jìn)行識別、計算，將結(jié)合面特性簡化為一組空間彈簧-阻尼單元。文獻(xiàn)[11]中提出結(jié)合面剛度參數(shù)識別經(jīng)驗公式為：

k=αpβΔS

(1)

式中，k—法向剛度kn或切向剛度kτ，單位為N/μm；P—壓力，單位為MPa；α、β—與結(jié)合面的材料、加工方式、表面粗糙度和潤滑狀況等有關(guān)因素；ΔS—實際接觸面積，單位為m2。根據(jù)文獻(xiàn)[12]中數(shù)據(jù)，法向：α=806256，β=0.8 ；切向： α=132786 ，β=0.37 。計算彈簧剛度為：kn=5.3×107N/mm，kτ=6.0×105N/mm。

3.1.2床身動態(tài)特性及靜力分析

床身前3階模態(tài)固有頻率與振型描述如表1所述，各階振型如圖3所示。靜力分析結(jié)果如圖4所示，中間部位凹陷明顯，最大變形量為9.34 μm。

表1　床身前3階固有頻率及振型

圖3　前三階模態(tài)振型圖

圖4　靜力分析結(jié)果

3.1.3床身模型優(yōu)化及改進(jìn)結(jié)果

分析仿真結(jié)果可知，在低階時，床身出現(xiàn)整體移動、變形，靜力分析顯示變形部位較為集中、變形量大，且為實際加工中的重要承載位置。因此，需對模型進(jìn)行優(yōu)化以提高其穩(wěn)定性。為盡量避免增加工藝的復(fù)雜性，采取的主要措施為加大床身底面的支撐面積，同時針對靜力變形較大的主要承載部位，對其床身底部對應(yīng)位置的回型筋板進(jìn)行填充和加固處理。優(yōu)化前后模型對比如圖5。

圖5　優(yōu)化前后模型對比

優(yōu)化后的模型模態(tài)分析結(jié)果與優(yōu)化前對比如表2所示，各階固有頻率均有較大提高，且相近固有頻率下床身的變形情況改善明顯，振型圖如圖6所示。靜力分析結(jié)果如圖7所示，最大變形量為5.74 μm，與優(yōu)化前相比，變形量減少約4 μm。

表2　床身模型優(yōu)化前、后前三階結(jié)果對比

圖6　模型優(yōu)化后前三階模態(tài)振型圖

圖7　模型優(yōu)化后的靜力分析結(jié)果

3.2X軸導(dǎo)向滑座動態(tài)特性分析及優(yōu)化

3.2.1X軸導(dǎo)向滑座模型簡化與處理

模型簡化與處理方法參照3.1.1，X軸導(dǎo)向滑座通過M24螺栓與床身連接，計算等效彈簧剛度kn=4.14×1010N/mm，kτ=5.36×108N/mm。

3.2.2X軸導(dǎo)向滑座動態(tài)特性及靜力分析

結(jié)合X軸導(dǎo)向滑座在機(jī)床整體布局中的受力特點，重點分析其在X方向的振型及受力變形情況。前3階模態(tài)固有頻率與振型描述如表3所述，各階振型如圖8所示。靜力分析結(jié)果如圖9所示，最大變形量為11.6 μm，前側(cè)主要受力部位變形明顯。

表3　X軸導(dǎo)向滑座前3階固有頻率及振型

圖8　模型優(yōu)化后前三階模態(tài)振型圖

圖9　靜力分析結(jié)果

3.2.3模型優(yōu)化及改進(jìn)結(jié)果

分析結(jié)果可知，低階X軸導(dǎo)向滑座前側(cè)變形量較大，會嚴(yán)重影響刀具的位置精度。觀察其機(jī)構(gòu)可知，X軸滑座的前側(cè)中間位置設(shè)計了一段凹槽，如圖9中棕色變形位置中間。結(jié)合加工中心整體布局及各部件運(yùn)動要求，發(fā)現(xiàn)此段凹槽并無特殊工藝要求，且考慮到處為承受X軸滑座及主軸重量的主要部位，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，盡量減少變形。因此，設(shè)計優(yōu)化時對凹槽位置進(jìn)行了填補(bǔ)，模型對比如圖10。

圖10　優(yōu)化前后模型對比

對優(yōu)化后的模型進(jìn)行了分析，其模態(tài)分析結(jié)果與優(yōu)化前對比如表4所示，各階固有頻率均有較大提高，且相近固有頻率下床身的變形情況改善明顯，振型圖如圖11所示。靜力分析結(jié)果如圖12所示，最大變形量為6.9 μm，與優(yōu)化前相比，減少約4.7μm。

表4　X軸導(dǎo)向滑座模型優(yōu)化前、后前三階結(jié)果對比

圖11　模型優(yōu)化后前三階模態(tài)振型圖

圖12　模型優(yōu)化后的靜力分析結(jié)果

綜上所述，對床身和X軸導(dǎo)向滑座優(yōu)化后，其固有頻率明顯提高，靜力變形量有所減少。因此，該實例的優(yōu)化方案合理可行，達(dá)到了改善加工中心剛度、穩(wěn)定性的效果，有效提升了機(jī)床整體的加工性能。

4　結(jié)束語

航空發(fā)動機(jī)應(yīng)用環(huán)境的特殊性決定了航空零件制造以及生產(chǎn)設(shè)備的特殊性。相比于一般的零件制造，面向航空應(yīng)用的零件，其制造精度要求更嚴(yán)格，工藝過程更為復(fù)雜，制造設(shè)備的剛度及穩(wěn)定性要求更高。本文以葉片五軸聯(lián)動葉片加工中心為例，對其主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)特性及靜力分析，并對薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化前、后結(jié)果對比，驗證了優(yōu)化設(shè)計的合理性，為之后的設(shè)計提供了一定的參考。

[1]MartinBuβmann,JürgenKraus,ErwinBayer.AnIntegratedCost-EffectiveApproachtoBliskManufacturing[C]．InternationalSymposiumonAirBreathingEngines17th.MunichGermany:AmericanInstituteofAeronauticsandAstronautics, 2005:1100-1108.

[2] 于紅英,唐德威,傘紅軍.汽輪機(jī)葉片參數(shù)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng),2006,12(10):1537-1542.

[3]IdahosaU,GolubevVladimirV,BalabanovVladimirO.AnautomatedoptimaldesignofafanbladeusinganintegratedCFD/MDOcomputere-nvironment[J].Engineeringapplicationofomputationalfluidmechanics,2008,2(2):141-154.

[4]BeirowBernd,KiihhomArnold,SchrapesSven.Adiscretemodeltoconsidertheinfluenceoftheairflowonbladevibrationsofanintergralbliskcompressorrotor[C].Berlin:ProceedingsoftheASMETurboExpo, 2008:38-392.

[5] 馬超民. 產(chǎn)品設(shè)計評價方法研究[D]. 長沙:湖南大學(xué),2007.

[6] 張興朝. 基于有限元分析的模塊化數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計研究[D].天津:天津大學(xué),2001.

[7] 陸啟建, 楮輝生. 高速切削與五軸聯(lián)動加工技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

[8] 劉維偉, 李杰光, 趙明．航空發(fā)動機(jī)薄壁葉片加工變形誤差補(bǔ)償技術(shù)研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2009,(10):175-177.

[9] 徐開元, 徐武彬, 張宏獻(xiàn), 等.VMC-1000型立式加工中心立柱結(jié)構(gòu)分析與動態(tài)設(shè)計[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù), 2010(4):11-17.

[10] 張學(xué)良. 機(jī)械結(jié)合面動態(tài)特性及應(yīng)用[M]. 北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2002.

[11] 穆希望, 米潔. 基于關(guān)鍵螺栓結(jié)合面的立主軸模態(tài)分析[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2014(8):78-82.

[12] 翁德凱, 程寓, 李奎, 等. 基于結(jié)合面參數(shù)的機(jī)床整機(jī)有限元建模與分析[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù), 2012(3):29-33.

(編輯李秀敏)

AeroEngineBladeEedicatedManufacturingEquipmentDesignResearch

LIUCui-yu,ZHONGJian-lin

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,BeijingInformationScienceandTechnologyUniversity,Beijing100192,China)

Thecompetitioninaerospacetechnologyisintensifiedandmanufacturingstrengthasthebasisofthenationaleconomyisakeyfactorintheinternationalcompetition.Bladesasanimportantpartoftheaircraftengineshouldhaveahighprecisionandprocessingquality.Inthispaper,takingthefive-axisbladesmachiningcenterasanexample,thedynamiccharacteristicsofitsStructuralmembersareanalyzedandweaklinksareoptimized.Finally,theresultsbeforeandoptimizedarecomparedtoverifytherationalityandfeasibilityoftheoptimizationandthisconclusionprovidesacertainreferencetothefutureoptimizeddesign.

blades;machiningcenter;dynamiccharacteristics;optimizationdesign

1001-2265(2016)08-0137-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.037

2015-09-16

國家重大專項資助項目(2013ZX0400-1061)

劉翠煜(1989—)，女，石家莊人，北京信息科技大學(xué)碩士研究生，研究方向為機(jī)械制造及自動化，(E-mail)liucuiyu0311@163.com。

TH113；TG506

A