发动机叶片高精度电解加工阴极设计系统及实验研究

论文摘要

叶片是航空发动机中重要的零件,对发动机的性能起着关键作用,其主要加工方法之一是电解加工。阴极设计是电解加工首先要解决的问题,也是电解加工中难以解决的问题。本文对叶片电解加工阴极设计系统的关键技术进行研究,主要目的是方便快捷地设计、制造出高精度的阴极工具,提高叶片电解加工精度和质量。同时,本文对叶片电解加工成型过程进行的分析研究,也为实现加工过程实时控制做了理论铺垫。本文以某型航空发动机叶片为研究对象,根据其结构特点和加工精度的要求,结合对阴极设计有直接影响的阴极进给方向与叶片型面法线夹角的分布情况,首先对叶片阴极的进给方向进行了优化。以电解加工成型规律为理论基础,分别采用基于简化电场模型的阴极设计方法和基于实际电场分布模型的有限元阴极设计方法,求解出阴极工具的三维型面。为了提高阴极型面的设计精度和效率,本文探索研究并提出了一种把叶片试件的形状测量结果代入阴极工具设计的数字化修正模型,这种修正方法以线性闭环控制系统、空间Fourier变换和频域传递函数为理论基础,结合工艺实验和对叶片试件形状测量结果对阴极工具进行了完善,大大提高了阴极型面的设计精度。根据流体力学基本理论研究电解液在加工间隙内的流动模型,求解了三维加工间隙内电解液电导率的变化,并将流场因素影响代入到阴极设计中。同时,采用半实验法与数据库技术相结合的方法有效地解决了非线性电解液对工具阴极设计的影响,使阴极设计模型更全面地反映电解加工的实际物理过程。除了电解加工阴极工具设计,还进行了关于叶片电解加工成型过程的分析研究,探讨了考虑流场和非线性电解液因素的影响,叶片由初始毛坯型面变化到最终型面的过程仿真和最终型面预测问题。在此基础上,针对新型三头进给叶片电解加工机床的特点,对加工过程中阴极工具进给路径的优化进行了研究探索,得出初步的优化结果。采用BP神经网络技术,将电解加工参数与试件的形状误差建立起映射关系,对加工出的叶片试件的形状误差进行预测。结合上述关键技术的研究,本文在Unigraphics（UG）软件平台上开发了用于发动机叶片电解加工阴极设计的系统软件（NH-ECM1.0）,该软件具有从发动机叶片零件图纸开始精确地设计出工具阴极型面的CAD功能、模拟阴极工具制造生成相应加工代码的CAM功能,和优化工具进给方式、叶片成型仿真预测及叶片试件形状误差预测等一系列CAE功能。最后,本文在新型三头进给叶片电解加工机床上对阴极设计的各种方法和叶片成型的仿真结果进行了一系列的工艺实验,结果证明了设计出的阴极工具具有较高的精度,叶片型面预测分析结果具有较好的可靠性,试件形状误差预测的BP网络能较精确地映射实际加工时输入加工参数与输出工件型面的形状误差之间的关系,具有较高预测的精度。本文对电解加工阴极设计若干关键技术问题进行了较深入的研究,将研究结果与高性能的计算机辅助设计制造软件结合起来,初步开发出用于发动机叶片电解加工阴极设计的CAD/CAE/CAM系统,这对提高电解加工阴极设计精度、实现阴极设计的自动化,以及提高叶片电解加工效率和精度有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电解加工的原理及工艺特点
• 1.2 电解加工技术的国内外发展现状
• 1.2.1 电解复合加工
• 1.2.2 脉冲电流电解加工
• 1.2.3 微细电解加工
• 1.2.4 数控电解加工
• 1.3 电解加工在航空发动机叶片生产中的应用
• 1.3.1 需求分析
• 1.3.2 叶片电解加工的国内外现状
• 1.4 电解加工阴极工具的设计
• 1.5 本课题的研究意义及主要研究内容
• 1.6 本文的主要创新工作
• 第二章 叶片电解加工阴极工具设计
• 2.1 叶片电解加工方案
• 2.2 阴极工具进给方向的优化
• 2.2.1 阴极进给角对阴极设计的影响
• 2.2.2 进给角优化准则
• 2.2.3 优化检测方案的确定
• 2.2.4 α的优化结果
• 2.2.5 α优化结果分析
• 2.3 叶片阴极工具设计
• 2.3.1 基于简化电场、近似处理的成型规律及阴极设计
• 2.3.2 基于叶片电解加工实际电场分布的阴极设计
• 2.4 阴极工具型面的数字化修正
• 2.4.1 阴极修正思路与方法
• 2.4.2 修正模型
• 2.4.3 利用频域传递函数实现修正
• 2.4.4 叶片阴极工具型面的修正
• 2.5 本章小结
• 第三章 加工间隙流场因素对叶片阴极设计的影响
• 3.1 研究背景
• 3.2 叶片电解加工的流场设计
• 3.2.1 电解液的流动形式
• 3.2.2 电解液流速和进口压力
• 3.3 电解加工间隙中的气液两相流基础
• 3.4 加工间隙中的流动特性的理论分析
• 3.4.1 流场参数模型的建立
• 3.4.2 电解加工间隙内流场模型求解
• 3.5 流场因素对阴极设计的影响
• 3.5.1 非线性电解液的影响
• 3.5.2 可变电导率的影响
• 3.5.3 考虑流场影响的阴极设计结果
• 3.6 本章小节
• 第四章 叶片成型过程仿真与最终型面预测
• 4.1 研究背景
• 4.2 叶片成型过程仿真
• 4.2.1 法拉第定律
• 4.2.2 成型仿真计算模型
• 4.2.3 加工过程中间隙内的电场分布
• 4.2.4 叶片最终型面预测
• 4.3 叶片电解加工过程阴极工具的进给路径优化讨论
• 4.4 叶片型面形状误差的预测
• 4.4.1 影响工件成型的主要因素
• 4.4.2 BP 神经网络模型
• 4.4.3 网络学习过程
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于UG 平台的叶片电解加工阴极设计系统
• 5.1 研究背景
• 5.2 系统的技术支撑
• 5.2.1 UG 几何平台
• 5.2.2 UG 应用开发工具
• 5.3 系统的结构
• 5.4 NH－ECM1.0 系统简介
• 5.5 NH－ECM1.0 系统的关键技术
• 5.5.1 UG 二次开发技术
• 5.5.2 开发系统功能界面
• 5.6 本章小节
• 第六章 叶片电解加工阴极设计系统的实验验证
• 6.1 叶片电解加工实验系统
• 6.1.1 叶片阴极的制造
• 6.1.2 实验夹具
• 6.1.3 加工过程控制系统
• 6.2 阴极设计与叶片加工预测分析结果的实验验证
• 6.2.1 基于简化电场模型考虑流场因素设计的阴极工具验证
• 6.2.2 基于实际电场分布数值方法设计的阴极工具验证
• 6.2.3 阴极工具的修正
• 6.2.4 叶片成型仿真预测结果的验证
• 6.2.5 叶片型面形状误差 BP 网络预测模型的实例验证
• 6.3 实验中出现的问题与解决方法
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文及科技成果
• 附录一
• 附录二