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【兆恒機(jī)械】整體葉盤如何加工制造

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  • 添加日期:2021年03月22日

整體葉盤是為了滿足高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)而設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)件,結(jié)構(gòu)模型如圖1所示,其將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片和輪盤形成一體,省去了傳統(tǒng)連接中的榫頭、榫槽及鎖緊裝置等,減少結(jié)構(gòu)重量及零件數(shù)量,避免榫頭氣流損失,提高氣動(dòng)效率,使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化,現(xiàn)已在各國(guó)軍用和民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng)用,如EJ200、F119、F414等軍用發(fā)動(dòng)機(jī),法國(guó)SNECMA公司生產(chǎn)的P.A.T驗(yàn)證核心機(jī)以及美國(guó)P&W 公司生產(chǎn)的基準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)等民用大流量比發(fā)動(dòng)機(jī)。


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圖1 整體葉盤結(jié)構(gòu)件


與整體葉盤諸多優(yōu)點(diǎn)相對(duì)應(yīng),其制造工藝技術(shù)面臨著非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通道開(kāi)敞性差,加工精度要求高,葉片型面為空間自由曲面,導(dǎo)致對(duì)其制造技術(shù)要求極高,而且其工作條件多為高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、氣流交變等惡劣環(huán)境中,故整體葉盤廣泛采用鈦合金、高溫合金等高性能金屬材料和鈦基、鈦鋁化合物等先進(jìn)復(fù)合材料,材料的可加工性差,也使整體葉盤的綜合制造工藝技術(shù)成為世界性難題。


整體葉盤制造技術(shù)


目前國(guó)外整體葉盤制造技術(shù)主要有:焊接工藝技術(shù)、銑削加工技術(shù)、精鍛制造技術(shù)、電解加工技術(shù)等,采用的工藝流程為:精密鍛造+數(shù)控加工;精密焊接+數(shù)控加工;高溫合金精鑄毛坯+熱等靜壓處理。其制造工藝技術(shù)的主要應(yīng)用如表1所示。美、英、俄等發(fā)達(dá)國(guó)家在整體葉盤制造領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位,且其具有先進(jìn)的銑削裝備、焊接工藝裝備等。


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近年來(lái),國(guó)內(nèi)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤制造技術(shù)的研究達(dá)到一定高度,已實(shí)現(xiàn)整體葉盤的完整制造,通過(guò)對(duì)整體葉盤結(jié)構(gòu)及制造工藝需求分析,國(guó)內(nèi)采用復(fù)合制造工藝,主要?jiǎng)澐譃椋航尚蚊髦圃臁⒕_成形加工、表面拋光、表面處理等過(guò)程,每個(gè)工藝階段又劃出多種工藝技術(shù),諸多工藝技術(shù)經(jīng)過(guò)復(fù)合形成各種不同的整體葉盤制造工藝流程,同時(shí),其中一些技術(shù)國(guó)內(nèi)尚處于研究發(fā)展階段,其工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)如圖2所示。



近成形制坯技術(shù)


整體葉盤精密制坯技術(shù)正在向近成形方向發(fā)展,近成形技術(shù)已成為材料加工領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù),具有成本低、操作靈活及進(jìn)入市場(chǎng)周期短等特點(diǎn),解決整體葉盤制造中的關(guān)鍵制造技術(shù),從而提高生產(chǎn)效率,實(shí)現(xiàn)節(jié)材、節(jié)能目標(biāo)。在整體葉盤制造中的近成形制坯技術(shù)主要包括:精密鍛造技術(shù)、精密鑄造技術(shù)、電子束焊接技術(shù)、線性摩擦焊接技術(shù)等。


01
精密鍛造技術(shù)


目前,整體葉盤多采用精密鍛造工藝作為制坯手段,該技術(shù)不僅可以節(jié)省貴重金屬材料,減少難加工材料的機(jī)械加工量,而且提高整體葉盤的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。現(xiàn)代精密鍛造技術(shù)在整體葉盤近成形過(guò)程中,對(duì)整體葉盤鍛件進(jìn)行精密設(shè)計(jì),葉片和輪盤部分留有較小的余量,既要保證足夠的變形量,又要保證葉片的成形。等溫鍛造技術(shù)與超塑等溫模鍛技術(shù)的應(yīng)用為高溫合金和鈦合金壓氣機(jī)盤的制坯過(guò)程提供了保證,獲得優(yōu)異的組織和力學(xué)性能。


美國(guó)GE公司應(yīng)用等溫鍛造技術(shù)制造出帶葉片的壓氣機(jī)整體葉盤轉(zhuǎn)子,材料利用率提高4倍。精密鍛造零件的尺寸精度可以達(dá)到0.1~0.25mm,表面粗糙度達(dá)到0.4~1.6μm。國(guó)內(nèi)寶山鋼鐵股份有限公司對(duì)鈦合金整體葉盤等溫鍛造技術(shù)進(jìn)行了深入研究,并對(duì)鍛件圖的簡(jiǎn)化、精化、模具、成形等進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)鈦合金整體葉盤進(jìn)行成形試驗(yàn),鍛壓結(jié)果顯示,鍛件各部位未發(fā)生折疊及其他缺陷,成形良好。


02
精密鑄造技術(shù)


由于精密鑄造工藝及鑄造數(shù)值模擬軟件技術(shù)的新發(fā)展,特別是金屬材料定向凝固和熱等靜壓理論的深入研究,在改善鑄造合金組織和性能、預(yù)測(cè)鑄造尺寸變形、鑄造缺陷、優(yōu)化鑄造工藝方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用,不僅使得鑄造合金組織和性能得到大大改善,也解決了葉片表面疲勞裂紋沿垂直于葉片主應(yīng)力方向的晶粒邊界發(fā)生的問(wèn)題,提高了葉片抗疲勞特性、減少表面裂紋。


20世紀(jì)70年代,美國(guó)廣泛開(kāi)展具有定向葉片和等軸細(xì)晶輪轂的整體葉盤鑄造工藝研究,成功實(shí)現(xiàn)基于Mar2M247、CM681定向合金材料的雙性能整體葉盤鑄造技術(shù),即整體葉盤的葉片為定向柱晶,輪盤為等軸晶。


我國(guó)航空材料研究院對(duì)整體葉盤的精密鑄造技術(shù)進(jìn)行了深入研究,分析雙性能合金材料的選擇、整體葉盤組織的形成方法、控制措施和澆注工藝參數(shù)以及熱處理對(duì)整體葉盤力學(xué)性能的影響,為鑄造工藝設(shè)計(jì)特殊裝置,使葉片凝固過(guò)程中獲得徑向溫度梯度,并且通過(guò)不同的試驗(yàn)方案,成功鑄造出直徑120mm,帶有34個(gè)葉片的渦輪整體葉盤,如圖3所示。


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圖3 整體葉盤鑄造樣件


03
電子束焊接技術(shù)


電子束焊是通過(guò)加速和聚焦的電子束,轟擊置于真空或非真空中的焊件,利用所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行焊接的方法。電子束焊接容易實(shí)現(xiàn)金屬材料的深熔透焊接,具有焊縫窄、深寬比大、焊縫熱影響區(qū)小、焊接工藝參數(shù)容易精確控制、重復(fù)性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),且其具有自動(dòng)焊縫跟蹤、速流偏轉(zhuǎn)、多熔池焊接等技術(shù)優(yōu)勢(shì),使其廣泛應(yīng)用于航空航天等行業(yè)。


由于電子束焊發(fā)展較早,技術(shù)相對(duì)成熟,最先用于整體葉盤的制造過(guò)程中,據(jù)相關(guān)資料顯EJ200第三級(jí)風(fēng)扇葉盤是最早通過(guò)電子束焊技術(shù)成形的整體葉盤,先將單個(gè)葉片用電子束焊接成葉片環(huán),然后用電子束焊接技術(shù)將鍛造和電解加工成形的輪盤腹板與葉片環(huán)焊接成整體葉盤結(jié)構(gòu)。


國(guó)內(nèi)對(duì)整體葉盤電子束焊接工藝主要應(yīng)用于鈦合金材料整體葉盤,諸多研究機(jī)構(gòu)對(duì)整體葉盤電子束焊接進(jìn)行大量研究試驗(yàn)。中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司技術(shù)中心對(duì)TC4整體葉盤電子束焊接工藝中的變形控制方法進(jìn)行大量研究,提出了綜合應(yīng)用焊接工藝優(yōu)化、剛性固定、真空熱處理和電子束局部加熱相結(jié)合的變形控制方法,并通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)有效地控制了焊接變形,實(shí)現(xiàn)了電子束焊接整體葉盤結(jié)構(gòu)的制造。


電子束焊接整體葉盤技術(shù)由于其較高的穩(wěn)定性,在國(guó)內(nèi)整體葉盤制造領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用,而其局限性在于只適宜于鈦合金葉盤的焊接工藝,對(duì)高溫合金整體葉盤焊接存在較大的技術(shù)缺陷,尚需要進(jìn)行更為深入的研究。


04

線性摩擦焊接技術(shù)


線性摩擦焊是一種固相焊接技術(shù),在焊接壓力Pf作用下,其中一個(gè)焊件相對(duì)另一個(gè)焊件沿直線方向以一定的振幅A和頻率f作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),發(fā)生摩擦粘結(jié)與剪切并產(chǎn)生摩擦熱,摩擦界面溫度上升,當(dāng)摩擦表面達(dá)到粘塑性狀態(tài)時(shí),在壓力的作用下焊合區(qū)金屬發(fā)生塑性流動(dòng)形成飛邊,當(dāng)摩擦焊接區(qū)的溫度和變形達(dá)到一定程度后,焊件對(duì)齊并施加頂鍛壓力Pu,焊合區(qū)金屬通過(guò)相互擴(kuò)散與再結(jié)晶使金屬焊為一體,完成整個(gè)焊接過(guò)程,其工藝過(guò)程如圖4所示,主要包括以下5個(gè)工藝過(guò)程:初始摩擦階段、不穩(wěn)定摩擦階段、穩(wěn)定摩擦階段、停振階段、頂鍛維持階段。


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線性摩擦焊原理示意圖


線性摩擦焊技術(shù)在整體葉盤制造中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于:


(1)加工效率高,材料損耗小。線性摩擦焊相比于數(shù)控銑削,可以節(jié)省大量的貴重金屬,提高金屬利用率;焊接過(guò)程中完全自動(dòng)化,人為參與因素很小,焊接控制參數(shù)如壓力、時(shí)間、頻率和振幅等參數(shù)控制簡(jiǎn)單,故其可靠性高,且使加工時(shí)間大幅降低,效率明顯提高。


(2)焊接質(zhì)量高,焊接過(guò)程中不產(chǎn)生與熔化和凝固冶金有關(guān)的一些焊接缺陷和焊接脆化現(xiàn)象,由于加熱時(shí)間短,熱影響區(qū)窄,組織無(wú)明顯粗化。在焊接鋁、鈦合金材料中,更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。


(3)線性摩擦焊可以焊接2種不同的材料,因此,可根據(jù)整體葉盤需要,為進(jìn)一步減輕重量,提高推重比,選用合適的材料進(jìn)行焊接加工。同時(shí),線性摩擦焊對(duì)單個(gè)葉片可以進(jìn)行修復(fù)工作,顯著提高整體葉盤應(yīng)用率,降低其成本。


由于線性摩擦焊獨(dú)特的工藝特點(diǎn),在整體葉盤制造技術(shù)領(lǐng)域,已逐漸取代電子束焊接,如EJ200發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤在1994年開(kāi)始利用線性摩擦焊取代原電子束焊接技術(shù)。英國(guó)R·R公司已采用線性摩擦焊技術(shù)制造出寬弦風(fēng)扇整體葉盤。


國(guó)內(nèi)中航工業(yè)北京航空制造工程研究所與西北工業(yè)大學(xué)對(duì)整體葉盤線性摩擦焊技術(shù)進(jìn)行大量研究,北京航空制造工程研究所對(duì)其工藝過(guò)程各個(gè)階段進(jìn)行分析,包括工藝過(guò)程中的飛邊形貌、接頭組織、拉伸性能及力學(xué)性能等,從而獲得影響焊接件質(zhì)量的工藝參數(shù),為整體葉盤線性摩擦焊接技術(shù)提供大量理論依據(jù)。西北工業(yè)大學(xué)自主研發(fā)整體葉盤線性摩擦焊裝備,對(duì)線性摩擦焊機(jī)施力系統(tǒng)模糊PID控制方法進(jìn)行研究,制定模糊控制算法規(guī)則,確定各規(guī)則參數(shù),從而建立線性摩擦焊機(jī)施力閉環(huán)控制系統(tǒng),此外,還對(duì)夾具系統(tǒng)彈性變形對(duì)焊接過(guò)程的影響進(jìn)行分析,通過(guò)建立線性摩擦焊接過(guò)程的動(dòng)力學(xué)理論模型,研究了固定夾具的彈性振動(dòng)對(duì)線性摩擦焊機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力、機(jī)械功率及產(chǎn)熱功率的影響,從而為線性摩擦焊裝備設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。


總之,我國(guó)對(duì)線性摩擦焊技術(shù)的研究尚淺,對(duì)其機(jī)理研究,產(chǎn)熱變熱、變形流動(dòng)、組織轉(zhuǎn)變等技術(shù)仍需投入大量研究,在21世紀(jì),線性摩擦焊技術(shù)將繼續(xù)飛速發(fā)展,應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤、空心葉片葉盤等的制造。


精確成形加工技術(shù)


國(guó)內(nèi)在整體葉盤制造領(lǐng)域的精確成形加工技術(shù)主要包括:數(shù)控銑削加工技術(shù)、數(shù)控電解加工技術(shù)以及電火花加工技術(shù)等。由于其存在不同的技術(shù)局限性,各工藝技術(shù)向著高效、低耗、低成本方向發(fā)展。


01
多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑削技術(shù)


五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑削加工由于其具有快速反應(yīng)性、可靠性高、加工柔性好及生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短等優(yōu)點(diǎn),在整體葉盤制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。美國(guó)GE和P·W公司、英國(guó)R·R公司等,多采用五坐標(biāo)數(shù)控銑削加工整體葉盤。


國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)于1991年起對(duì)整體葉盤制造技術(shù)進(jìn)行研究,突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),開(kāi)發(fā)了“葉輪類零件多坐標(biāo)NC 編程專用軟件系統(tǒng)”,該系統(tǒng)集測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲面建模、曲面消隱、刀位計(jì)算、刀位驗(yàn)證及后置處理于一體,經(jīng)過(guò)多年的分析研究,完成了整體葉盤數(shù)字化精密制造技術(shù)關(guān)鍵工藝,采用側(cè)銑與插銑復(fù)合高效銑加工,完成葉盤的粗精加工,進(jìn)行刀位點(diǎn)計(jì)算及加工軌跡優(yōu)化,直紋面擬合等多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新,此外,其自主研發(fā)高效盤銑- 插銑復(fù)合銑削中心,對(duì)提高整體葉盤銑削效率有著重大意義,其主要銑削加工方法及加工樣件如圖5所示。


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整體葉盤數(shù)控銑削方法及樣件


02
電解加工技術(shù)



電解加工是基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理來(lái)去除金屬材料的加工方法,其技術(shù)的先進(jìn)性(計(jì)算機(jī)控制加工過(guò)程),能很好地保證加工精度與質(zhì)量,提高加工穩(wěn)定性,減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,是優(yōu)質(zhì)、高效、低成本、快速響應(yīng)地解決整體葉盤加工難題的技術(shù)途徑之一。


數(shù)控電解加工技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)數(shù)控和電解加工兩者技術(shù)特點(diǎn),工具陰極無(wú)損耗,無(wú)宏觀切削力,適宜加工薄葉片、狹窄通道的整體葉盤,且其以數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)型面的創(chuàng)成運(yùn)動(dòng),加工范圍廣。因此,該工藝技術(shù)適合于加工小直徑、多葉片、小葉間通道(1.5~3mm寬度)及變截面扭曲葉片的整體葉盤。


美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)整體葉盤數(shù)控電解加工技術(shù)進(jìn)行深入研究并得到應(yīng)用,美國(guó)GE 公司以五軸數(shù)控電解加工方法,對(duì)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤加工,其粗加工、半精加工、精加工工藝都采用電解加工方法,加工出的葉型厚度公差為0.10mm,型面公差為0.10mm[21]。在帶冠整體葉盤的加工中,俄羅斯采用機(jī)械仿形電火花與電解加工組合工藝,電解加工技術(shù)既提高了加工效率,又去除了電火花加工后的表面變質(zhì)層,提高表面質(zhì)量。


國(guó)內(nèi)對(duì)整體葉盤數(shù)控電解加工技術(shù)的研究尚淺,南京航空航天大學(xué)從80年代中期開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行研究,提出了“直線刃”陰極數(shù)控展成電解加工和成形或近成形陰極柔性電解加工方法,以簡(jiǎn)單的直線刃陰極進(jìn)行數(shù)控展成運(yùn)動(dòng),基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理而實(shí)現(xiàn)整體葉盤葉間槽與葉片型面的成形加工,如圖6所示。由于數(shù)控電解加工需采用多軸數(shù)控電解機(jī)床,對(duì)數(shù)控技術(shù)水平要求高,電解成形規(guī)律掌握較困難,目前正處于研究階段,其有望解決數(shù)控銑削無(wú)法實(shí)現(xiàn)的整體葉盤加工。


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直線刃陰極數(shù)控電解加工過(guò)程


03

電火花加工技術(shù)


電火花加工是通過(guò)浸在工作液中的兩極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕作用,來(lái)達(dá)到蝕除導(dǎo)電材料目的的一種特種加工方法。在整體葉盤加工過(guò)程中,與數(shù)控電解加工以及數(shù)控銑削加工技術(shù)相比,電火花加工技術(shù)存在以下技術(shù)優(yōu)勢(shì):


(1)加工范圍廣泛,可以對(duì)傳統(tǒng)難切削材料,如高溫合金、硬質(zhì)合金、鈦合金等進(jìn)行加工。


(2)對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通道狹窄的整體葉盤件加工存在明顯優(yōu)勢(shì),可以完成復(fù)雜的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),有效避免電極與工件之間的干涉問(wèn)題。


(3)加工中不存在宏觀切削力,電極與工件均不會(huì)產(chǎn)生宏觀變形,同時(shí),不產(chǎn)生毛刺和刀痕溝紋等缺陷。


由于上述諸多優(yōu)點(diǎn),電火花加工在帶冠整體葉盤加工中得到廣泛應(yīng)用。上海交通大學(xué)對(duì)渦輪整體葉盤電火花加工技術(shù)深入研究,開(kāi)發(fā)出專用CAD/CAM軟件,可以完成渦輪整體葉盤造型、電極CAD/CAM、工具點(diǎn)擊軌跡搜索等功能,且對(duì)渦輪葉盤進(jìn)行電火花加工獲得較高型面精度的整體葉盤。


表面拋光及表面處理技術(shù)


整體葉盤經(jīng)過(guò)近成形及精確成形加工后,其表面質(zhì)量尚無(wú)法滿足其技術(shù)要求,還需要經(jīng)過(guò)表面拋光及處理工藝,來(lái)降低其表面粗糙度,提高型面精度,從而提高葉盤疲勞強(qiáng)度及使用壽命?,F(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)對(duì)于整體葉盤的表面拋光工藝仍處于手工打磨階段,人工拋光不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低,而且拋光表面易燒傷,型面精度和表面完整性難以保證,導(dǎo)致葉盤可靠性降低,同時(shí)受到工人技術(shù)等級(jí)和熟練程度的影響,加工質(zhì)量不穩(wěn)定,嚴(yán)重影響著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能、安全可靠性以及生產(chǎn)周期。因此,迫切需要對(duì)整體葉盤表面自動(dòng)化拋光技術(shù)進(jìn)行深入研究,實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化拋光工藝。對(duì)整體葉盤表面拋光及處理技術(shù)主要包括:磨粒流拋光技術(shù)、數(shù)控拋光技術(shù)、激光沖擊處理技術(shù)、表面噴丸及光飾技術(shù)等。


01
磨粒流拋光技術(shù)


磨粒流光整技術(shù)是美國(guó)在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)光整新工藝,已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子、模具制造業(yè)中的關(guān)鍵零件拋光工藝。磨粒流加工時(shí)通過(guò)軟性磨料介質(zhì),一種載有磨料的粘彈體,在壓力作用下往復(fù)流過(guò)零件被加工面而實(shí)現(xiàn)光整效果,對(duì)于一般工具難以接觸的零件內(nèi)腔,磨粒流光整技術(shù)的優(yōu)越性尤為突出。


我國(guó)引進(jìn)磨粒流光整技術(shù),經(jīng)過(guò)幾年的研究,北京航空工藝研究所在磨粒流拋光技術(shù)方面取得較大進(jìn)展,并將其應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)離心葉輪和鈦合金整體葉盤葉輪的型面拋光,在某型發(fā)動(dòng)機(jī)研制中,采用磨粒流工藝進(jìn)行了前置擴(kuò)壓器葉片型面拋光,均勻去除葉片腐蝕層,改善了零件抗疲勞性能。但是,由于技術(shù)起步較晚,工藝缺乏更深入的研究,對(duì)于磨粒流光整中的關(guān)鍵技術(shù),還需要在實(shí)踐中進(jìn)行不斷的摸索和完善。


02
數(shù)控拋光技術(shù)


國(guó)外在整體葉盤拋光技術(shù)方面已經(jīng)取得了大量的成果,日本較早地將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于整體葉盤拋光中,成功地研制出了拋光加工機(jī)器人并投入應(yīng)用,并且提出了通過(guò)GC(grinding center)進(jìn)行自由曲面拋光的新型工藝,經(jīng)過(guò)技術(shù)研究和應(yīng)用,最終在拋光試驗(yàn)中達(dá)到了較高的表面質(zhì)量,在拋光過(guò)程解決了磨削中由于NC誤差導(dǎo)致的拋光軌跡誤差。


西北工業(yè)大學(xué)對(duì)整體葉盤結(jié)構(gòu)及其材料特性進(jìn)行大量分析,借鑒五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑削技術(shù),為擬合整體葉盤葉片自由曲面,提出整體葉盤五軸聯(lián)動(dòng)柔性拋光系統(tǒng),并建立試驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)磨頭機(jī)構(gòu)的柔性作用,使其在拋光過(guò)程中能夠適應(yīng)葉片型面,對(duì)葉片表面波紋及微變形量進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償,達(dá)到葉盤表面精密拋光[29],其建立拋光工藝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示,并且對(duì)整體葉盤進(jìn)行了初步拋光試驗(yàn),如圖8所示,目前還需對(duì)整體葉盤自動(dòng)化拋光技術(shù)進(jìn)行不斷的完善和提高。


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整體葉盤拋光裝備


03
激光沖擊處理


激光沖擊處理技術(shù)是利用高峰值功率密度的激光產(chǎn)生高壓等離子體,等離子體受約束產(chǎn)生沖擊波使金屬材料表層產(chǎn)生塑性變形,獲得表面殘余壓應(yīng)力層。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)于20世紀(jì)70年代已開(kāi)始研究,由于其設(shè)備昂貴、效率較低,應(yīng)用較少,直到20世紀(jì)90年代,激光沖擊強(qiáng)化在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用,21世紀(jì)后,激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)已在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,大幅度提高了部件疲勞性能、抗應(yīng)力腐蝕性能、抗沖擊性能。


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整體葉盤拋光設(shè)備


中航工業(yè)北京航空制造工程研究所研究分析了整體葉盤葉片邊緣激光沖擊強(qiáng)化的關(guān)鍵難題,采用雙光束雙面強(qiáng)化技術(shù),對(duì)整體葉盤葉片進(jìn)排氣邊緣、葉尖、葉根等不同部位進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn),如圖9所示。


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圖9 激光沖擊強(qiáng)化整體葉盤


整體葉盤不同部位的強(qiáng)化會(huì)導(dǎo)致激光入射角度的變化,且兩路激光發(fā)生平衡問(wèn)題,因此對(duì)激光沖擊處理技術(shù)增加了運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和光路系統(tǒng)的復(fù)雜性,目前,我國(guó)對(duì)整體葉盤葉片強(qiáng)化還存在諸多難題,例如由于葉盤空間結(jié)構(gòu)導(dǎo)致工藝的復(fù)雜性,鈦合金材料激光沖擊強(qiáng)化所需功率密度高,表面型面精度要求高等,仍需要進(jìn)行大量的強(qiáng)化試驗(yàn),優(yōu)化工藝參數(shù),確保葉片固有頻率、型面尺寸、葉尖部位輪廓度、粗糙度滿足設(shè)計(jì)要求。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)整體葉盤沖擊處理技術(shù)還尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例,但已具有良好研究基礎(chǔ),該技術(shù)必將在國(guó)內(nèi)踏上產(chǎn)業(yè)化的道路。


04
光飾及噴丸技術(shù)


葉片表面光飾與噴丸技術(shù)都是葉片表面強(qiáng)化的工藝方法,其作用在于消除內(nèi)部有害加工應(yīng)力,提高葉片疲勞強(qiáng)度。目前,葉片光飾與噴丸技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤與葉片制造中,振動(dòng)光飾與噴丸技術(shù)從不同方面提高整體葉盤與葉片的抗疲勞強(qiáng)度,由于振動(dòng)光飾后葉片表面質(zhì)量及抗疲勞強(qiáng)度均易遭到破壞,因此,國(guó)內(nèi)普遍采用噴丸工藝對(duì)整體葉盤葉片表面進(jìn)行處理,其穩(wěn)定性高,更有利于提高整體葉盤葉片抗疲勞強(qiáng)度。


整體葉盤制造方法對(duì)比


在整體葉盤制造工藝過(guò)程中,各種近成形技術(shù)與精確成形技術(shù)相互滲透,形成整體葉盤復(fù)合制造工藝,各工藝技術(shù)有其優(yōu)越性和局限性,無(wú)法以一種方法替代其他所有工藝方法。而對(duì)于國(guó)內(nèi)目前普遍采用的整體葉盤制造技術(shù),如精密鑄造及鍛造技術(shù)、精密焊接技術(shù)、數(shù)控銑削技術(shù)、數(shù)控電解加工技術(shù)進(jìn)行分析對(duì)比,如表2所示。


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隨著整體葉盤在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的廣泛應(yīng)用,未來(lái)高推重比、涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)使整體葉盤結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,優(yōu)異的SiC或C/C復(fù)合材料等在整體葉盤上的應(yīng)用,對(duì)整體葉盤制造技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn),各國(guó)都投入大量的人力、物力對(duì)整體葉盤制造技術(shù)進(jìn)行研究,尋求低成本、低污染、高效率、高質(zhì)量的復(fù)合制造技術(shù),以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)整體葉盤的需求。目前,我國(guó)對(duì)整體葉盤的制造多采用精密鍛造、電解加工、數(shù)控銑削的復(fù)合制造工藝技術(shù),其制造技術(shù)仍需投入大量的研究,提高整體葉盤制造效率,降低其制造成本,提高其表面質(zhì)量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整體葉盤的高效、高質(zhì)、低耗制造。