航空發(fā)動機(jī)五軸聯(lián)動葉片專用制造裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)

霍一飛

摘 要：葉片作為航空發(fā)動機(jī)的重要組成部件，其加工質(zhì)量直接影響發(fā)動機(jī)的運(yùn)行功能，所以為了提高葉片的加工質(zhì)量和效率，對其五軸聯(lián)動葉片專用制造裝備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文章通過對該裝備的重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)特性分析，然后發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中存在的缺陷，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后將優(yōu)化前和優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明改進(jìn)后的裝備能夠降低其變形量，另外還能夠增加固有頻率，于是能夠驗(yàn)證文章的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有合理性和有效性。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī);葉片;制造裝備;優(yōu)化

中圖分類號：V263 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）04-0142-04

Abstract：As an important component of an aero-engine， the processing quality of the blade directly affects the running function of the engine， so in order to improve the processing quality and efficiency of the blade， its five-axis linkage blade special manufacturing equipment is optimized for design. The paper analyzes the dynamic characteristics of the important structure of the equipment， then finds the defects in the structure， and optimizes the design， and finally compares the results before and after optimization. The research results show that the improved equipment can reduce the amount of deformation， and also increase the natural frequency， so it can verify that the optimized design of the paper is reasonable and effective.

Key words：engine; blade; manufacturing equipment; optimization

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，航空制造領(lǐng)域關(guān)乎著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家地位，所以為了提高我國的航空制造領(lǐng)域需要不斷對這個(gè)制造裝備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使其具備更加優(yōu)異的性能[1]。航空發(fā)動機(jī)葉片屬于非常重要的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在制作時(shí)需要非常高端、頂尖且精密的制造設(shè)備，所以在我國制造業(yè)中加工葉片屬于重難點(diǎn)項(xiàng)目[2-3]。并且國內(nèi)外對其進(jìn)行了非常多的研究，主要包含3個(gè)方面，第1個(gè)方面，通過多學(xué)科的優(yōu)化方式，使用計(jì)算機(jī)分析手段對葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)研究;第2個(gè)方面，對葉片制作過程中的工藝進(jìn)行優(yōu)化，其中涉及到的加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整;第3個(gè)方面，對制造葉片的設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，從而提高葉片生產(chǎn)的質(zhì)量。提高制造設(shè)備的加工性能最主要的手段之一就是分析機(jī)床動態(tài)特性[4-6]。五軸聯(lián)動葉片作為非常復(fù)雜的葉片，其加工比較困難，但是在航空航天具有非常重要的作用。于是文章為了提高五軸聯(lián)動葉片的質(zhì)量、性能和加工速度，文章對其專用制造裝備進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，目的在于提高機(jī)床的動態(tài)特性，從而提高五軸聯(lián)動葉片的加工質(zhì)量。

1 機(jī)床設(shè)計(jì)

通過對產(chǎn)品的制造成本進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段時(shí)就已經(jīng)決定著成品70%的造成成本，然而設(shè)計(jì)階段所占的成本只是整個(gè)開發(fā)階段的6%，所以產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段非常重要，決定著產(chǎn)品的成本和質(zhì)量[7]。制造業(yè)中最為基礎(chǔ)重要的裝備就是機(jī)床，生產(chǎn)五軸聯(lián)動葉片專用制造設(shè)備就需要使用到機(jī)床，對機(jī)床的設(shè)計(jì)可以劃分為四個(gè)不同階段，分別為產(chǎn)品規(guī)劃、技術(shù)設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)。由于隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人類生產(chǎn)生活的提高，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足于當(dāng)下的設(shè)計(jì)要求，比如周期、成本和功能方面都無法滿足新的需求。現(xiàn)代通過使用CAD/CAE、有限元法等技術(shù)能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行自動分析，然后對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行優(yōu)化，因而能夠提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，從而縮短設(shè)計(jì)周期，并且還能夠提高產(chǎn)品的動態(tài)性能。使得制造企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)社會、大規(guī)模生產(chǎn)、低成本生產(chǎn)等目標(biāo)。所以對五軸聯(lián)動葉片專用制造裝備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)文章將會使新技術(shù)，從而設(shè)計(jì)出綜合性能更好的設(shè)備。

2 葉片加工設(shè)計(jì)

航空發(fā)動機(jī)中葉片是非常重要的部件，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機(jī)的功能，所以葉片的加工質(zhì)量直接影響著發(fā)動機(jī)的使用時(shí)間和工作效率。葉片的性能主要包含抗熱疲勞、形狀和強(qiáng)度等。所以通過從這幾個(gè)方面提高葉片性能，將有助于提高航空發(fā)動機(jī)的使用效果。五軸聯(lián)動葉片的加工非常困難，所以當(dāng)前制造五軸聯(lián)動葉片加工中心屬于高精、高校的數(shù)控加工設(shè)備，該裝備具備非常多的性能，能夠解決復(fù)雜曲面的生產(chǎn)，所以能夠在葉片的生產(chǎn)中具有比較好的效果。

2.1 葉片加工特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求

由于葉片主要應(yīng)用與航空發(fā)動機(jī)中，使得葉片需要設(shè)計(jì)為非常薄的形狀，文章設(shè)計(jì)的葉片示意圖如圖1所示，該葉片的長寬大致為26.5mm和28.8mm，輪廓度為R0.05～0.08，前后緣轉(zhuǎn)接為R0.1～0.03。從圖中可以看出，其表面為自由曲面，在加工過程中，使用數(shù)控銑削方法，使用這種方式就會使得葉片產(chǎn)生較大的加工變形[8]。文章所設(shè)計(jì)的葉片材質(zhì)為高溫鎳基合金材料GH4169，因?yàn)檫@種材質(zhì)具有非常高的強(qiáng)度和耐高溫性能，正好滿足發(fā)動機(jī)的使用要求。葉片在加工時(shí)要求較大的切削力，于是在切割過程中就會產(chǎn)生比較高的溫度，溫度升高就會造成刀具和切削粘連度增加，還會造成更大的機(jī)械磨損，于是需要提高加工機(jī)床的性能要求。

2.2 葉片專用制造裝備尺寸和參數(shù)設(shè)計(jì)

文章根據(jù)航空發(fā)電機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后使用我國研發(fā)的一種五軸聯(lián)動葉片專用制造裝備進(jìn)行加工，該裝備的示意圖如圖2所示。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)X軸、Y軸、Z軸和A軸、C軸聯(lián)動，主軸的最高速度為2400r/min，然后X軸、Y軸、Z軸的直線距離分別是300mm、250mm、300mm。為了提高制造裝備的穩(wěn)定性，其移動部件使用的是方形框架結(jié)構(gòu)，并且裝備的整體結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)。

3 葉片專用制造裝備結(jié)構(gòu)分析

在對構(gòu)件進(jìn)行加工生產(chǎn)時(shí)，機(jī)床會進(jìn)行高速切削工作，于是機(jī)床各組成結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能會對機(jī)床的抗振性能、使用壽命、精度和切削效率都會造成最直接的影響[9]。當(dāng)機(jī)床的動態(tài)性能受到影響之后，就會造成加工構(gòu)件表面成形運(yùn)動軌跡的準(zhǔn)確性。于是為了提高加工質(zhì)量和效率，文章分析了裝備中重要組成結(jié)構(gòu)的動、靜態(tài)特性，然后對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 床身動態(tài)特性分析及優(yōu)化

3.1.1 床身模型簡化和處理

文章對床身模型進(jìn)行簡化和處理時(shí)使用的軟件為三維軟件，因?yàn)檫@個(gè)方式能夠提高簡化效果，模型簡化包含的內(nèi)容可以是刪除小孔、圓角和倒角等特征，然后還需要對小錐度、小曲率的平面和直線進(jìn)行處理等。為了固定床身，需要將其使用M16地腳螺栓和地面進(jìn)行相連接，然后使用的建模方式為線性彈簧-阻尼單元法。穆希望等提出了一種結(jié)合面剛度參數(shù)識別經(jīng)驗(yàn)公式如下所示[10]：

其中，k表示的是切向剛度kt或者法向剛度kn，該剛度的單位為N/?m，α和β表示的是與結(jié)合面材料、表面粗糙度、加工方式和潤滑狀況等相關(guān)的因素，P表示的是壓力， ΔS表示的是時(shí)間接觸面積。文章通過參考翁德凱等人的研究數(shù)據(jù)，將切向α設(shè)置為132786，法向β設(shè)置為0.37，將法向α設(shè)置為806256，法向β設(shè)置為0.8。然后通過上述公式計(jì)算出kt和kn，即、。

3.1.2 床身動態(tài)特性和靜力分析

表1即為床身在前面3個(gè)階中固有振型和頻率描述，表3即為各階段振型。獲得的靜力分析結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出中間部分出現(xiàn)較為明顯的凹陷現(xiàn)象，通過計(jì)算之后其最大變形量為9.34?m。

3.1.3 床身模型優(yōu)化和改進(jìn)結(jié)果

通過仿真分析之后，床身處于低階時(shí)，會出現(xiàn)整體變形或者移動現(xiàn)象，并且其中發(fā)生變形的面積比較大，且較為集中，該變形位置屬于結(jié)構(gòu)重要承載位置。于是為了提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)不能增加工藝復(fù)雜性，于是使用優(yōu)化方式是加大床身底面支撐面積，然后在重要承載位置的床身底部使用填充和加固回型筋板。使用這種優(yōu)化方式之后獲得模型如圖5所示，為了形成對比，將其優(yōu)化前的模型也進(jìn)行描述。

然后進(jìn)行模型模態(tài)分析，表2即為優(yōu)化前和優(yōu)化后的前3階結(jié)果對比。從表中可以看出，優(yōu)化之后的三階結(jié)果都有明顯的提高、另外振型圖如圖6所示，在相同條件下，優(yōu)化之后的機(jī)床變形發(fā)生了較大改善。靜力分析結(jié)果如圖7所示，該圖中最大變形量為5.74?m，而沒有進(jìn)行優(yōu)化時(shí)其最大變形量為9.34?m，變形量大致降低了一半。

3.2 X軸導(dǎo)向滑座動態(tài)特性分析和優(yōu)化

3.2.1 X軸導(dǎo)向滑座分析

X軸導(dǎo)向滑座的固定方式是使用M24螺栓和床身進(jìn)行連接，文章上面已經(jīng)分析過模型簡化處理方式，于是通過計(jì)算之后，獲得、。

根據(jù)X軸導(dǎo)向滑座的受力特點(diǎn)可知，主要分析其振型和受力變形情況。于是表3即為固有頻率和振型藐視，圖8即為振型，圖9為靜力分析結(jié)果，從中能夠得到最大變形量為11.6?m，發(fā)生明顯變形的部位主要為前側(cè)。

3.2.2 模型優(yōu)化和改進(jìn)結(jié)果分析

通過上述分析可知變形量比較大，于是就會降低刀具的位置精度。于是需要對其進(jìn)行改進(jìn)。在X軸滑座前側(cè)中間位置存在一個(gè)凹槽，但是通過分析之后，該凹槽沒有特殊工藝要求，而且為了增加X軸滑座的強(qiáng)度，使其變形較低，于是將該凹槽進(jìn)行填補(bǔ)，圖10即為優(yōu)化前后模型對比。

然后再對優(yōu)化后的模型進(jìn)行分析，前三階結(jié)果如表3所示，通過表3的對比分析，能夠觀察到優(yōu)化之后能夠明顯提高固有頻率，且能夠明顯改善床身的變形量，振型圖如圖11所示。然后圖12即為靜力分析結(jié)果，其最大變形量為6.9?m，而沒有優(yōu)化之前其最大變形量為11.6?m，變形量降低了4.7?m。

4 結(jié)語

通過上述分析，文章對五軸聯(lián)動葉片制造裝備進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其中存在一定的問題，導(dǎo)致葉片加工質(zhì)量不好和效率較低，于是為了提高葉片的加工效果，文章對其制作裝備進(jìn)行了優(yōu)化，主要就機(jī)床的X軸導(dǎo)向滑座和床身進(jìn)行了優(yōu)化，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)之后發(fā)現(xiàn)能夠大幅度降低機(jī)床的變形量，并且非常明顯的增加了固有頻率。所以文章通過對五軸聯(lián)動葉片專用制造裝備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有不錯(cuò)的效果。

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