航空发动机整体叶盘高效盘铣加工技术与刀具应用分析

随着航空制造业的发展,对航空发动机关键零部件的质量提出更高的要求,由于其材料大多为难加工材料,并具有复杂结构特征,给加工制造带来了很大的困难。如何能高效、高质量地加工出这些复杂零部件是亟需解决的难题,而盘铣加工技术及其刀具应用则是解决这一难题的有效途径之一。本文首先对航空发动机部件整体叶盘的材料特性进行分析;然后,进行整体叶盘盘铣加工技术的探讨,对其可行性制造方法进行比较,明确高效盘铣加工技术在整体叶盘的加工中具有显著优势;其次,在对盘铣切削特点及其加工方式进行分析基础上,还就盘铣刀的应用及其失效形式进行探讨;进而,从盘铣刀具材料的选用、几何特征的特殊设计、刀片新型槽型开发等方面实现对刀具结构的优化设计。以上分析探讨将为解决整体叶盘的高效切削问题及航空航天领域核心零部件国产化提供参考。

钛合金盘铣开槽刀具的优化设计

为了提高整体叶盘的加工效率,将盘铣应用于该类零件的开槽粗加工。相比于插铣和侧铣工艺,盘铣能将该类零件开槽加工效率提高3-4倍。由于盘铣刀直径大、齿数多,切削过程中容易产生振动,加剧刀具磨损,因此刀具结构对表面质量和加工效率有较大影响。针对盘铣刀铣削过程中承受大载荷、高抗力、易磨损等情况,对盘铣刀做了铣削过程仿真及刀具优化设计。对不同尺寸的整体叶盘,设计了三种不同参数的盘铣刀;利用ANSYS软件对三种不同参数的盘铣刀进行模态分析,结果表明,盘铣刀的固有频率与激励频率差距较大,盘铣刀产生的变形与磨损非常小。对三种不同参数的盘铣刀进行了铣削过程的静态受力分析,结果表明,Φ200和Φ400的盘铣刀的最大应力分布于刀片与刀体结合处,Φ600的盘铣刀的最大应力分布于键槽处,刀具的最大变形量为0.48mm,说明盘铣刀的刚性完全满足加工要求;通过盘铣刀磨损试验,验证仿真分析的可信度。

基于灰色系统理论的盘铣TC4工艺参数优化

基于TC4盘铣试验开展盘铣工艺参数优化研究。测量盘铣表面残余应力和刀具振动加速度,利用灰色系统理论计算灰色关联系数及灰色关联度,得出试验范围内的最优工艺组合为n=100r/min、a_p=10mm、v_f=80mm/min。计算各工艺因素各水平平均关联系数,得出单目标最优工艺组合:残余应力最优工艺组合n=100r/min、a_p=10mm、v_f=60mm/min,刀具振动最优的工艺组合n=70r/min、a_p=15mm、v_f=80mm/min;计算各工艺因素各水平平均关联度,得出多目标最优工艺组合n=100r/min、a_p=15mm、v_f=100mm/min。通过试验验证了灰色系统理论优化盘铣工艺参数有效可行。

钛合金盘铣振动模型预测及工艺参数优化

盘铣因其铣削力大和铣削效率高等特点被广泛应用于机械加工领域,但有关盘铣钛合金方面的研究相对较少。本文针对盘铣振动模型预测及工艺参数优化进行了钛合金盘铣开槽试验,采用信噪比试验设计法和响应曲面法进行主轴转速、切削深度和进给速度对振动加速度的影响规律分析。各因素对加速度的影响程度依次为切削深度>进给速度>主轴转速。采用信噪比试验设计法和线性回归技术建立振动加速度预测模型,根据预测结果与试验结果可知,两者误差较小,预测模型精度较高。

灰色关联度优化钛合金盘铣开槽工艺参数

针对盘铣开槽过程中材料去除率大、刀具磨损严重、塑性变形明显等问题,采用正交实验法设计三因素三水平的钛合金盘铣开槽加工实验。基于灰色关联分析将多目标优化转化为单目标优化,利用主成份分析确定材料去除率、刀具寿命、残余应力层厚度对灰色关联度的影响权重。通过对试验数据的回归分析,建立灰色关联度与工艺参数的二阶预测模型。基于各工艺参数对材料去除率、刀具寿命、残余应力层厚度和灰色关联度的影响规律分析,确定盘铣工艺参数优化方案。利用响应曲面进行工艺参数优化问题求解并进行盘铣开槽实验,结果表明:该优化方法获得的工艺参数组合可在满足刀具寿命和残余应力层厚度的基础上最大限度的提高材料去除率。

基于盘铣加工钛合金表面残余应力的工艺参数优化

为探索低速盘铣钛合金时铣削参数与加工表面残余应力的关系,设计完成了铣削速度、切削深度、进给速度三因素三水平的正交实验。实验结果表明,在所选用切削参数范围内,已加工表面残余应力均表现为压应力,铣削速度的变化对其影响最显著,进给速度次之,切削深度影响最小。提出将支持向量机回归技术应用于工艺参数优化,建立了盘铣加工钛合金表面残余应力的支持向量机模型,并通过实验以及与指数型回归经验模型的对比,验证了该方法的实用性和合理性。

TC4钛合金盘铣开槽加工残余应力

整体叶盘盘铣开槽加工过程中铣削力大,铣削温度高,会在加工表面表成较深的残余应力层,对零件的疲劳寿命造成严重影响。为提高零件的疲劳寿命,本文以钛合金试块为研究对象,利用残余应力测试分析系统测量表面残余应力,利用拨层法测量次表面的残余应力,采用线性回归技术建立残余应力预测模型,并利用极差分析法分析工艺参数对残余应力的影响规律。试验结果表明:盘铣表面均为压应力,且轮毂面上的残余应力大于叶盆叶背面上的残余应力,均由挤光效应引起;回归预测模型的显著性水平为0. 01,其回归效果良好;各因素对σAx、σAy(σAx、σAy分别表示轮毂面x、y方向残余应力)的影响程度依次为主轴转速>进给速度>切削深度;对σBx(σBx表示叶盆叶背面x方向上的残余应力)的影响程度依次为主轴转速>切削深度>进给速度;残余应力纵向均为压应力,轮毂面上的分布深度为230~270μm,叶盆叶背面上的分布深度为170~175μm。

电弧盘铣加工设计与实验分析

电弧加工因其高放电能量和非接触式加工的特点而在难加工材料去除方面得到了广泛的应用。为研究电弧盘铣加工的加工特性,提出一种基于正交实验的多目标参数优化方法。综合考虑了低转速、低电压条件下,电极转速、工件进给速度、电流、气压和进刀深度等因素对加工材料去除率和电极损耗率的影响,得出了在低转速、低电压条件下电弧盘铣加工多目标优化的最优加工参数组合,提高了电弧盘铣加工的应用性。研究结果为电弧盘铣加工参数的合理制定与加工工艺的优化提供了参考依据。

基于空间包络理论的双刀盘铣齿关键参数优化

针对直线廓形的单铣刀盘铣削斜齿轮时齿面法向偏差较大且分布不均匀的问题,提出一种双铣刀盘铣齿法来减少齿面法向偏差。根据空间包络原理,对双刀盘铣齿进行建模并通过解析算法求取双刀盘所包络的端面齿形和齿面法向偏差。在不过切的前提下,求取刀盘间距的调整范围,并结合刀轴中心距分析两者与齿面最大法向偏差的关系。根据所得规律,以双刀盘铣齿关键参数—刀盘间距、刀轴中心距与法向偏差的关系为约束条件,通过调整刀盘间距与刀轴中心距,使用离散变量网格直接寻优算法,以减少齿面最大法向偏差为优化目标,对双刀盘铣齿关键参数进行优化研究,从而实现对齿面法向偏差的优化。通过物理样机试验表明,该优化方法可有效减少齿面最大法向偏差。

双刀盘铣削斜齿轮端面齿形分析

针对单刀盘铣齿端面齿形不均匀余量对后续齿面精加工的影响,提出一种双刀盘铣齿方法。使用空间包络理论建立双刀盘铣齿数学模型,推导双刀盘铣齿接触条件式,得到空间接触线,并根据螺旋面啮合原理得出端面齿形。利用渐开线齿廓性质,对端面齿形的法向偏差进行了求解,求取端面齿形法向偏差的分布形式,得到最大法向偏差。通过与单刀盘铣齿端面齿形进行比较,进一步验证双刀盘铣齿对端面齿形的优化,表明双刀盘铣齿可有效减小齿面法向偏差,改善齿面余量分布。

钛合金TC4盘铣开槽加工铣削力研究

由于盘铣刀具直径大,切削余量大,造成钛合金盘铣开槽过程中铣削力较大,进而引起刀具振动,缩短刀具寿命。为实现对钛合金盘铣开槽过程的优化与控制,本文设计单因素实验和正交实验,利用三向压电式测力仪测量铣削力数据,采用线性回归技术建立铣削力模型并以“F”检验法对模型进行显著性检验;利用极差分析法分析工艺参数对铣削力的影响规律,利用响应曲面法分析工艺参数对铣削力的交互影响规律。研究结果表明:对于切削深度变化敏感度依次为铣削力F_(x)>进给速度>主轴转速;对于进给速度变化敏感度依次为铣削力F_(y)>切削深度>主轴转速;对于铣削力F_(z)变化敏感度依次为主轴转速>切削深度。铣削力随着主轴转速的增大而减小,随着切削深度和进给速度的增大而增大。另外铣削力F_(x)大于F_(y)和F_(z),对加工性能和刀具磨损起主导作用。

TC4盘铣开槽加工变质层实验研究

设计三因素三水平TC4盘铣开槽正交实验,DEWESOFT独立多功能测试系统同时采集切削力和切削温度信号,为加工表面状态改变提供基本理论依据, 600 MRD数显洛式硬度计进行显微硬度测量,莱卡S6D显微镜进行金相组织分析,研究TC4盘铣表面变质层规律及工艺参数对变质层的影响规律。针对表面残余应力研究发现,盘铣TC4表面均为压应力,主要由铣削加工过程中后刀面与工件摩擦产生的挤光效应引起。针对表层显微硬度及显微组织研究发现,不同工艺参数加工表面发生了严重的拉伸变形,微观组织由初始等轴组织α相转变为α+β双态组织或魏氏组织,使材料硬度增大。试验结果表明:各因素对变质层的影响程度依次为铣削速度>切削深度>进给速度,变质层随着铣削速度的增大逐渐减小,随着切削深度和进给速度的增大逐渐增大。

TC4钛合金盘铣开槽铣削温度研究

由于盘铣刀存在直径大、切削余量大和钛合金导热系数小等问题,钛合金盘铣开槽过程中会产生较高的温度,不仅会加剧刀具磨损,还会在加工表面形成较厚的变质层,从而影响零件质量。为实现对钛合金盘铣开槽过程的优化与控制,本文设计了单因素试验和正交试验,采用半人工热电偶法测量钛合金盘铣开槽的铣削温度,利用极差法和响应曲面法分析工艺参数对铣削温度的影响规律,运用线性回归技术和信噪比法建立铣削温度预测模型,采用“F”检验法检验模型的显著性。研究结果表明:单因素试验与正交试验的试验结果一致,即铣削温度随着各铣削参数的增大而增大;主轴转速对铣削温度影响最明显,其次是进给速度,最后是切削深度;线性回归技术和信噪比法建立的铣削温度预测模型回归效果良好,且信噪比模型的显著性高于线性回归模型。

整体叶盘盘铣开槽刀具优化对比试验

在整体叶盘盘铣开槽过程中,铣削力大和铣削温度高对刀具磨损造成不利影响。不合理的刀具结构不仅会降低刀具寿命,也影响切削效率。为了优化刀具结构,设计V1.0和V2.0两种不同的刀片来进行一系列对比试验,利用聚焦离子/双束系统观察刀片的磨损和破损形貌,并测量后刀面磨损增长量,利用ABAQUS软件分析V1.0刀片和V2.0刀片的受力情况。试验结果表明,V2.0刀片相比于V1.0刀片可有效改善粘刀、崩刃和磕刀现象,刀具寿命显著提高,而且V2.0刀片更换更方便快捷,刀片利用率提高50%以上。

钛合金整体叶盘铣削夹具的设计

现代加工中,夹具设计的好坏已经成为机械行业加工质量好坏和加工效率的关键因素,但由于航空发动机零件相对复杂,并且有着很高技术要求的特殊性。特别是航空发动机的整体叶盘,在设计夹具时有可能存在不合理性及设计难度较大,针对这一问题,提出了基于整体叶盘快速找正及加工的夹具设计方案,首先通过预调台对叶盘进行机外找正,减少机床的占有时间,提高机床的使用效率,然后改进原有的卡盘夹持范围,最后用这个设计来完成加工。

盘铣开槽加工表面形貌与变质层研究（英文）

设计盘铣开槽实验以测量盘铣切削钛合金时的切削力和切削温度,以切削力和切削温度实验为基础,分析不同切削条件下的表面粗糙度、表面形貌、残余应力、显微组织和显微硬度。结果表明:铣削表面中心处的粗糙度值小于边缘处,粗糙度值随着主轴转速的增加而减小,随着切削深度和进给速度的增加而增大。铣削表面和次表面均出现残余压应力,随着深度的增加,残余压应力逐渐减小为零。在切削力的作用下,晶粒沿进给方向发生明显的拉伸变形,α相从初始等轴态拉伸为长片状。随着切削温度的升高,塑性变形区的金相组织发生改变,当切削温度达到β相转变温度时,金相组织从初始等轴态转变为全片层组织。热力耦合作用使得已加工表面和次表面硬度值升高。

基于元结构的整体叶盘高效强力复合铣床立柱优化设计

针对整体叶盘高效强力复合铣床的关键零部件刚性,运用有限元分析方法,分析其盘铣立柱的动、静态特性。提取立柱的3种典型元结构,结合盘铣切削条件,运用变量分析技术,并以元结构的出砂孔形状、尺寸、孔数和筋板作为优化对象,以固有频率和刚度为优化目标,以整体质量为约束条件,提高立柱的刚度质量比。根据获得的3种最优元结构对立柱重构建模,优化后的立柱结构方案与原方案相比,质量减轻(11.2%),固有频率(一阶固有频率增加28.4%)和刚度(整体变形减小38.5%)明显提高。

大型齿圈铣削表面质量研究

为提高大型齿圈铣削加工的齿面质量,对盘形铣刀铣齿加工进行实验研究。通过3因素3水平的正交试验分析铣齿参数(铣削转速、轴向进给速度、径向切深)对铣削力矩的影响规律;并以齿面粗糙度、硬度及残余应力为齿面质量指标,研究铣齿参数对各指标的影响规律。最终在选择的铣齿参数范围内,以齿面质量为指标,利用极差分析和方差分析确定了铣齿参数的最优组合。

钢轨在线铣削技术的研究

分析了钢轨铣轨在线铣削技术的原理,铣削方向和铣盘大小对铣削力的影响,而铣削力又是影响铣轨车对钢轨表面铣削质量和刀具使用寿命的重要因素,因此,研究铣削方向和铣盘大小对铣削力的影响有着非常重要的意义。文中通过对国内外铣轨车铣削技术的研究和对比,为自主设计钢轨在线铣削装备提供了一定的理论依据。

Mechanical model of breaking rock and force characteristic of disc cutter

According to the cutting characteristics of progressive spiral movement by rotary cutting of the disc cutter, using the broken theory of interaction of compression and shearing, the three-axis force rotary cutting mechanical model of disc cutter was established and the influence of installation radius, the phase difference and the cutter space on the mechanics of disc cutter were analyzed. The results show that on the same radial line of tunneling interface, the boring distance of cutting tools installed on a different radius is not equal. The cutting radial line of tunneling interface is a polyline and its height is determined by phase angle and penetration of cutting tools. Both phase difference and the installation radius between adjacent disc cutters have little effect on the vertical force and rolling force, but increase with the increase in cutter spacing. In addition, when increasing phase difference and cutter space bilaterally, and reducing installation radius simultaneously, the lateral force would be improved. Related results have been verified onl O0 t rotary tool cutting test platform.