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透平机械叶轮叶片类复杂零件多轴联动加工技术

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透平机械叶轮叶片类复杂零件多轴联动加工技术
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在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项的支持下,西北工业大学承担了“透平机械叶轮叶片类复杂零件多轴联动加工技术”课题,课题起止时间为2009年3月至2010年12月。

该课题的研究目标是:针对国防、运载和能源等行业中重大工程与重大装备对高性能复杂曲面零件多轴联动加工技术的迫切需求,突破高性能复杂曲面多轴联动加工工艺优化技术、运动规划与仿真技术,以及面向复杂曲面加工特征单元的数控编程技术、多轴机床动力学特性仿真及加工精度控制技术、轮廓误差分析与精度控制技术,并进行集成运用,以显著提高高性能复杂曲面零件的加工效率、质量和工艺稳定性;建立五轴联动加工编程平台及加工编程数据库,并选择航空发动机大型风扇叶片、整体叶盘、整体叶轮和大型汽轮机整体静叶环等典型零件为验证对象,在国产五轴联动数控机床上进行示范应用,以提高我国高性能复杂曲面零件的自主研制能力和整体制造水平,提升国产数控机床的加工能力和应用范围;研究成果要在国防、运载和能源等行业高性能复杂曲面的多轴加工及国产机床的多轴加工中进行推广应用。

开展的研究工作

为满足国防、运载和能源等行业对高性能复杂曲面零件的多轴联动加工技术的迫切需求,课题主要围绕加工编程、运动轨迹仿真、精度补偿和工艺优化等关键技术进行了攻关,开发出了五轴联动加工编程平台及加工编程数据库,并在国产五轴数控机床中实现了示范应用。在此过程中,主要完成了7个方面的重点研究任务:高性能复杂曲面多轴联动加工工艺优化技术、多轴联动加工运动规划与仿真技术、面向复杂曲面加工特征单元的多轴联动加工编程技术,以及多轴机床动力学特性仿真及加工精度控制技术、复杂零件多轴联动加工的轮廓误差分析与精度控制技术、复杂曲面零件多轴联动加工编程平台和编程数据库系统、应用验证。

按照课题任务书要求,在加工工艺优化、运动规划与仿真、数控编程和加工精度控制等关键技术研究方面有所突破,完成了五轴联动加工编程平台及加工编程数据库的开发;以航空发动机大型风扇叶片、整体叶盘、整体叶轮和大型汽轮机整体静叶环等典型零件为对象,完成了示范应用。

应用情况表明,课题研究成果有效地提高了国产五轴联动数控机床加工叶片和叶盘类高性能复杂曲面零件的效率和质量,提升了国产数控机床的加工能力和应用范围,达到了课题任务书提出的目标。

突破的技术瓶颈

通过课题实施,主要突破了以下6个方面的关键技术:

1. 高性能复杂曲面多轴联动加工工艺优化技术。课题针对风扇叶片、整体叶盘、整体叶轮和汽轮机静叶环等典型高性能复杂曲面零件的几何特征,提出了多坐标插铣粗加工、多坐标快速铣削粗加工、薄壁叶片同步半精铣-精铣、高性能复杂曲面多轴螺旋铣以及叶片对称螺旋铣削加工定位与装卡方法,实施了整体叶盘加工定位与装卡方法。针对4种典型材料(TC11、TC17、GH4169、X12CrMoWVNbN10-1-1-5),分别研究了粗加工切削参数优化方法和精密加工切削参数优化方法,研制了对应的插铣刀具、高速铣刀具,并获得了粗加工、精密加工的工艺参数。

2. 多轴联动加工运动规划与仿真技术。课题面向风扇叶片、整体叶盘、整体叶轮和汽轮机静叶环等典型高性能复杂曲面零件,开展了多轴联动加工运动规划与仿真研究,对这类典型零件的可加工性作出了判定,对加工区域进行了合理划分,提出了边界约束处理和临界约束处理方法,识别并处理了多轴联动加工刀轴奇异锥问题、多准则刀轴矢量优化与控制问题。在此基础上,进行加工过程仿真,实现了复杂曲面的多轴联动加工运动规划与仿真。

3. 复杂曲面加工特征单元的多轴联动加工编程技术。面向风扇叶片、整体叶盘、整体叶轮和汽轮机静叶环等典型高性能复杂曲面零件的多轴联动加工,分析了这4类零件的结构特征,针对单个特征开发编程模板,并研究了拥有组合特征的数控加工编程技术。在此基础上,根据多轴联动加工运动规划原则,运用编程模板研究了适用于风扇叶片、整体叶盘、整体叶轮和汽轮机静叶环等典型零件的编程技术。

4. 多轴机床动力学特性仿真及加工精度控制技术。针对复杂薄壁整体结构的多轴加工,从弱刚性刀具-工件系统的动力学分析与优化方法、基于多维余量优化的薄壁叶片颤振抑制技术等方面,研究了多轴机床动力学特性仿真及加工精度控制技术。首先测试了国产多轴联动数控机床的伺服特性、振动特性等动态特性,并对动力学特性进行仿真。从机床-主轴-刀具、刀具-工件的动力学系统出发,采用理论分析与敲击试验相结合的方法,通过力锤敲击试验,建立了切削稳定性叶瓣图,确定了主轴转速-切深稳定参数控制域,对基于机床动力学特性的复杂曲面多轴联动加工工艺参数进行了优化。通过基于转速-切深参数控制域的颤振抑制方法、基于工艺刚度增强的颤振抑制方法和基于刀位轨迹优化的颤振抑制方法,实现了复杂曲面多轴联动加工变形控制和颤振抑制,从而开发出国产多轴机床动力学特性仿真及加工精度控制技术。

5. 复杂零件多轴联动加工轮廓误差分析与精度控制技术。利用激光干涉仪,测试了多轴联动数控机床的定位精度和运动精度,调整了机床参数。在此基础上,使用三坐标测量机测量所加工的叶片类零件,统计了叶片类零件的加工误差,建立了进给速度(走刀步长)和刀轴摆动变化对叶片类零件综合误差影响的统计模型。基于该模型,优化了进给速度(走刀步长)和刀轴矢量,控制了复杂零件多轴联动加工的轮廓误差,提高了精度。

6. 复杂曲面零件多轴联动加工编程平台及编程数据库开发。在开发风扇叶片、整体叶盘、整体叶轮和汽轮机静叶环等典型复杂曲面零件多轴联动加工编程平台时,首先根据不同的制造特征建立相应的制造特征模型库,在制造特征模型库基础上,考虑数控机床、刀具状态、零件材料、加工方法和切削参数等影响因素,开发相应的制造特征加工模板库。采用切削试验与理论分析、仿真相结合的方法,建立了数控机床参数库、刀具状态数据库、零件材料数据库、加工方法数据库和切削参数库,形成了适合典型复杂曲面零件数控加工的多轴加工编程工艺数据库。在此基础上,开发数控编程、运动规划、刀轴优化和精度控制等编程功能模块,集成开发出高性能复杂曲面零件多轴联动加工编程平台。

取得的成果

通过承担本课题,西北工业大学提出了刀轴矢量单点光顺控制方法(如图1所示)、叶片进排气边刀轨缓冲区间控制方法(如图2所示)、五坐标分行-定轴刀轴控制方法(如图3所示)等叶片类零件加工新方法,建成了透平机械高性能复杂曲面零件多轴联动加工试验平台,该平台集成应用了课题开发的多轴联动加工编程系统和数据库系统(如图4所示),对大型风扇叶片、整体叶盘、整体叶轮和大型汽轮机整体静叶环进行了工艺试验,并建立了相关技术规范和标准,具备了高性能复杂曲面零件工艺研发和小批量试制的能力,研究对象覆盖航空、航天、石油和化工等领域。

课题还充分发挥高校与合作企业的优势,以西北工业大学和430厂共同成立的XAE-NPU数字化制造联合技术中心为基础,吸纳410厂等国内其他企业的优秀人才,组成了一支校企联合的高素质产、学、研自主创新科研团队,提高了410厂和430厂的技术水平和研发实力,为其在航空发动机领域取得竞争优势提供了技术保障。

课题研究过程中,申请软件著作权5项,制定工艺规范软件7套,发表、录用论文共30篇,申报专利7项、授权5项,制定技术标准1项,培养硕士研究生22人、毕业并取得硕士学位12人,培养博士研究生8人、毕业并取得博士学位3人。

图1 刀轴矢量单点光顺控制方法
图2 叶片进排气边刀轨缓冲区间控制方法
图3 五坐标分行-定轴刀轴控制方法
图4 叶片、叶轮和叶盘加工编程软件界面

成果应用情况

在课题实施过程中,西北工业大学取得了多项科研成果,开发了加工编程平台和数据库系统,制定了《某型航空发动机第一级转子叶片加工工艺规程》、《某型航空发动机第一级整体叶盘加工工艺规程》等工艺规范与标准,相关专利技术成果已成功应用于410厂和430厂的叶片和叶盘专业化生产线,并投入西安康迪航空技术有限公司整体静叶环的生产之中。

课题开发的复杂曲面五轴联动加工编程平台和加工编程数据库系统以及取得的相关工艺标准和规范等技术成果,在410厂的叶片和叶盘专业化生产线上得到了初步应用,令410厂的某型发动机第一级整流叶片和某型发动机第二级压气机整体叶盘的工艺规范得到了改进,加工出合格的叶片、整体叶盘零件。410厂表示,本课题研究成果对实现叶片和整体叶盘等高性能复杂曲面零件的高速高效多轴联动加工提供了重要的工艺技术支持,显著提高了XKH400五轴联动数控机床加工此类复杂曲面零件的工艺稳定性,保障了航空发动机叶片和整体叶盘类零件的产业化批产需求。

课题开发的复杂曲面五轴联动加工编程平台和加工编程数据库系统以及取得的相关工艺标准和规范等技术成果,在430厂的叶片和叶盘专业化生产线上得到了初步应用,令430厂的某型发动机第一级风扇叶片和某型发动机第二级压气机整体叶盘的工艺规范得到了改进,加工出合格的产品。430厂表示,本课题研究成果对有效控制叶片和整体叶盘的加工精度、缩短制造周期和降低制造成本起到了一定的作用。

课题成果还在西安康迪航空技术有限公司承担的1000MW百万机组大型汽轮机整体静叶环的生产中得到应用。整体静叶环复杂曲面零件是某1000MW百万机组大型汽轮机的核心部件,零件尺寸大,型面复杂,通道开敞性差,且为闭式结构,以往一直由德国设计、制造而成,我国主要依赖进口。通过本课题的实施,根据静叶环的特殊结构和材料特点,以控制进/排气边粗加工和精加工工艺为目的,制定了适于国产五轴联动数控机床加工的中压缸静叶环加工工艺规范,令加工出的零件形位精度完全符合设计要求。

某型号燃气轮机研制重点项目也利用本课题的技术成果,制造出了合格的离心叶轮。

另外,课题组还围绕某新型航空发动机的双性能整体叶盘、某大型运输机发动机大型风扇叶片以及某型舰艇推进器大型叶片,进一步开展了应用研究工作。

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