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      快速成形技術在航空發(fā)動機傳動機匣上的應用

      2015-05-31 11:14:12海軍駐株洲地區(qū)航空軍事代表室
      航空制造技術 2015年12期
      關鍵詞:機匣附件傳動

      海軍駐株洲地區(qū)航空軍事代表室 朱 勇 姚 燦

      中國南方航空工業(yè)(集團)有限公司工模具分公司 郭芳瓊

      快速成形技術(Rapid Prototyping,RP)已經成為先進制造技術領域的一個重要里程碑,它集成了CAD技術、數(shù)控技術、激光技術和材料技術等。與傳統(tǒng)的去材料成形技術相比,快速成形從零件的CAD三維幾何模型出發(fā),通過軟件分層和數(shù)控成形系統(tǒng),用激光束或者其他方法將材料堆積形成實體零件[1]??焖俪尚渭夹g能快速響應市場需求,滿足個性化、多樣化產品需求,已廣泛應用于機械、電子、航空航天等各個領域。

      快速成形技術工作原理

      快速成形先進制造技術是80年代末90年代初在美國開發(fā)的高新制造技術,其原理如圖1所示,屬于離散堆積成形。首先對零件的三維CAD模型沿某一方向對其進行虛擬分層切片,得到各層截面的輪廓信息,根據(jù)這些輪廓信息,激光束進行選擇性地固化一層層的液態(tài)樹脂,或燒結一層層的粉末材料,形成各截面并逐步疊加成三維產品。它將一個復雜的三維加工簡化成一系列二維加工的組合[2]。

      目前,國際上比較成熟的快速成形技術有光固化成形(Stereo Lithography Apparatus,SLA)、分層實體制造成形(Laminated Object Manufacturing,LOM)、選擇性激光燒結成形(Selective Laser Sintering,SLS)、熔 融 沉 積 成 形(Fused Deposition Modeling,F(xiàn)DM)和立體三維打?。?D Printing,3DP)。這幾種快速成形技術的優(yōu)缺點如表1所示。

      圖1 快速成形原理

      表1 幾種典型快速成形技術的優(yōu)缺點比較

      快速成形技術特點

      快速成形技術已經廣泛應用于機械、電子、航空航天等各個領域,它與傳統(tǒng)的材料加工技術相比具有以下特點[3-4]:

      (1)快速成形采用離散堆積成形原理,自動完成從電子模型(CAD模型)到物理模型(原型和零件)的轉換。它將一個十分復雜的三維制造過程簡化為二維過程的疊合,所以可針對任意復雜形狀的零件進行加工。

      (2)快速成形具有高度的柔性,無需任何專用工模具即可完成復雜的制造過程,快速制造工模具、原型或零件。

      (3)快速成形實現(xiàn)了機械工程學科多年來追求的兩大先進目標,即材料提?。?、液、固相)過程與制造過程一體化和設計與制造的一體化。

      (4)通過對一個三維CAD模型的修改或重組就可獲得一個新零件的設計和加工信息。制造一個零件的時間一般只需幾小時到幾十小時。

      (5)與反求工程相結合,成為快速開發(fā)新產品的有力工具。

      快速成形技術在航空發(fā)動機傳動機匣上的應用

      附件傳動機匣作為發(fā)動機重要零件之一,在發(fā)動機中起重要作用,不僅需為各種發(fā)動機附件、飛機附件以及各種測試、監(jiān)控設備提供安裝位置,還需包容附件傳動鏈,為附件傳動鏈提供一個良好的工作環(huán)境,所以附件傳動機匣往往是發(fā)動機中結構最復雜、型腔最異形的一個構件。

      近年來,為了配合發(fā)動機性能的提高,附件傳動機匣進一步向高度集成化方向發(fā)展,集成了傳動、滑油箱、動力輸出、進氣、燃滑油管路等構件功能,有的甚至集成了部分壓氣機機匣。集成化設計可以減少零件數(shù)量和裝配環(huán)節(jié),提高可靠性,減輕重量,有效提高發(fā)動機性能。但是附件傳動機匣的高度集成化使得機匣的結構更趨復雜,給設計和制造帶來極大的困難。如某渦槳發(fā)動機(見圖2)、某渦軸發(fā)動機(見圖3)將大量原本獨立的管路集成在附件傳動機匣內,致使機匣型腔非常復雜。

      圖2 某渦槳發(fā)動機

      圖3 某渦軸發(fā)動機

      某型渦槳發(fā)動機附件傳動機匣與低壓壓氣機機匣、滑油箱以及一些附件的殼體集成為一體,同時機匣上安裝許多燃、滑油附件,導致機匣的外形和內腔都很復雜,尤其是機匣中布置了許多進出滑油箱和連通燃、滑油附件的管路,這些管路為空間復雜結構,多處有交叉、分支與盤旋,部分沿機匣外壁分布,部分伸入到機匣內部。機匣的內部結構是否準確,管路的布置是否合理,管路及腔體的壁厚是否合適,給機匣設計和加工帶來了很大的困難。完成初步設計之后,需要找一種快速有效的手段對設計結果進行檢查與評估。與此同時,該附件傳動機匣的鑄造難度大、成本高、周期長,需要投入大量人力物力。故在正式投產前,承制廠也要求設計人員盡可能保證設計的正確性,以避免或減少時間和成本的浪費?;谏鲜鰡栴},采用快速成形技術對初步設計的零件模型成形,檢驗設計質量,排查設計問題。

      快速成形高度柔性的制造特點,解決了零件復雜的問題。將復雜的三維實體離散成一系列二維層片進行加工,避免了三維加工中刀具干涉的問題,可以制造具有任意復雜形狀與結構、不同材料復合的原型或零件。同時,快速成形技術是建立在高度技術集成的基礎之上,從產品CAD模型制成零件,一般只需要幾個小時到十幾個小時,具有生產周期短的優(yōu)點。因此,快速成形技術可以承擔檢驗設計模型正確性的角色,而且適合小批量生產、成本較低。

      分析表1中的各種快速成形方法,其中的激光粉末燒結(SLS)快速成形方法,成形頭為激光,成形機理是粉末材料的燒結成形。具有速度快、強度高、無需支撐的特點,且國內技術比較成熟。因此在本應用實例中選用該方法進行快速成形,模型離散方向選該零件的軸向,以一定的厚度依次成形離散后的各個分層截面,成形之后進行后處理,使得成形強度顯著提高。

      通過對快速成形模型的研究,對比檢驗各設計特征,取得了良好的應用成果,發(fā)現(xiàn)了原設計中一些需要改進完善之處:

      (1)通過解剖快速成形模型,檢查附件傳動機匣中管路的布置,確認管路設計基本合理,管路布置符合設計意圖,但部分管路需微調位置;

      (2)檢查管路的壁厚和腔體的壁厚,鑄件整體壁厚設計≥5mm,發(fā)現(xiàn)快速成形模型部分腔體的壁厚只有3~4mm,需修改完善;

      (3)某些管路在局部區(qū)域懸空在機匣內,而沒有依附或內嵌在機匣中,這些管路與機匣的依托關系需進行調整;

      (4)部分特征鑄造工藝性較差,需要改進。

      結束語

      通過在航空發(fā)動機附件傳動機匣設計制造過程中應用快速成形先進制造技術,發(fā)現(xiàn)了傳動機匣初步設計中存在的問題,為完善傳動機匣設計發(fā)揮了重要作用,豐富了復雜發(fā)動機零件的設計驗證手段。航空發(fā)動機是技術密集、結構復雜的工業(yè)產品,快速成形作為先進制造技術的一種,在發(fā)動機其他零部件設計和制造中的應用有待于進一步的研究和探討。

      [1]王廣春. 快速成形與快速模具制造技術及其應用.北京:機械工業(yè)出版社, 2003.

      [2]朱林泉,白培康,朱江森. 快速成形與快速制造技術. 北京:國防工業(yè)出版社,2003.

      [3]王學讓,楊占堯. 快速成形理論與技術. 北京:航空工業(yè)出版社, 2001.

      [4]周建忠,劉會霞.激光快速制造技術及應用.北京:化學工業(yè)出版社,2009.

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