航空发动机机匣高效加工方法研究

本科毕业设计论文I摘要航空发动机是飞机的核心部件，而机匣则是航空发动机上关键部件之一，其结构极为复杂、制造难度大。机匣从毛坯到成品的加工过程中，大约有70%的材料被切除，其中绝大部分是在机匣的粗加工阶段完成。因此，高效粗加工是实现缩短机匣研制周期的关键。针对机匣结构特点，本文提出采用插铣代替传统侧铣进行高效粗加工，并从机匣零件建模、机匣数控加工工艺、机匣插铣粗加工刀位生成等方面开展了研究。本文完成的主要工作和取得的成果如下：1）对机匣的结构进行了分析，并根据机匣的结构特征利用UG软件实现了机匣的实体建模。2）研究了机匣高效粗加工工艺。针对侧铣与插铣两种加工方式，从切削厚度和刀具挠度两方面进行理论对比分析，并对切削力进行仿真对比分析。结果表明，在相同切除率条件下，插铣径向切削力仅为侧铣的0.6倍，切削过程稳定。3）根据机匣插铣加工工艺与机匣结构特点，规划了其插铣刀位轨迹，并在UG环境下生成了相应的插铣加工刀位轨迹。此外，以UG为二次开发平台，实现了对插铣线的优化，可有效防止插铣加工过切。关键词：机匣，高效加工，插铣，刀位轨迹，UG二次开发本科毕业设计论文IIABSTRACTAero-engineisthecorecomponentoftheaircraft,andthecasingwhichisakeypartoftheengineisdifficulttomanufacturebecauseitsextremelycomplicatestructure.About70%ofthematerialisremovedfromblanktofinishedproduct,whilethemostmaterialisremovedinroughmillingofcasing.Therefore,highefficiencyroughingofthecasingisakeytechnologytorealizinghigherefficiencymanufacturingandshorterdevelopingcycle.Basedoncharacteristicsofcasing,plungemillingwasproposedtoinsteadoftraditionallayeredflankmillinginthispaper.Andthepartmodeling,theCNCmachiningprocessmodeling,thecut-locationgenerationoftheplungemillinginroughmachiningwerestudied.Themainworkandachievementsofthisthesisareasfollows:1)Thecasingstructureisanalyzed,andonthisbasis,theentitymodelofcasingisestablishedusingUG.2)Theefficientroughmachiningofcasingisstudiedforprocessplanning.Betweenthesidemillingandplungemillingmethods,cuttingthicknessandtoolsdeflectionwerecontrastedintheoryandthecuttingforcewerecontrastedinsimulation.Theresultsshowthat,underthesameresectionrate,theradialcuttingforceoftheplungeisonly0.6timesthanthesidemilling,andtheprocessisstable.3)AccordingtothePlungemillingprocessandthestructurecharacteristicsofcasing,theplungemillingcutterpathwasplanned,whichisthengeneratedinUG.Additionally,aimingatovercutinplungemillingprocess,theoptimizationoftheplungemillinglinehasbeenimplementedusingUGsecondarydevelopment.Keywords:Casing,Efficientprocessing,Plungemilling,toolpath,UGSecondarydevelopment本科毕业设计论文III目录摘要..............................................................IABSTRACT........................................................II第一章绪论.......................................................11.1研究背景.....................................................11.2国内外研究现状...............................................21.2.1复杂结构类零件粗加工技术...............................21.2.2插铣工艺技术...........................................31.3论文主要内容及章节安排......................................5第二章机匣造型...................................................72.1基于特征的建模方法...........................................72.2建模平台选择.................................................82.3机匣造型.....................................................92.3.1机匣模型分析...........................................92.3.2机匣实体建模..........................................10第三章机匣数控加工工艺..........................................153.1工艺规程编制原则............................................153.2机匣零件的工艺特征..........................................153.3机匣加工工艺阶段的划分......................................163.4机匣加工工艺路线制定........................................163.5机匣粗加工工艺方案分析......................................18第四章机匣插铣粗加工刀具轨迹....................................254.1UG数控加工.................................................254.2刀具轨迹规划原则............................................254.3刀具轨迹生成................................................274.3.1加工环境设定..........................................274.3.2刀具轨迹生成..........................................274.3.3程序后置处理..........................................334.4基于UG的插铣线优化.........................................35总结............................................................38致谢............................................................39参考文献..........................................................40本科毕业设计论文1第一章绪论1.1研究背景航空发动机是飞机的“心脏”，其内部温度高，转速高，压力大，使用寿命长，构件的机械负荷和热负荷大，工作条件十分苛刻和复杂，其研究和发展工作的技术难度大，耗资多，周期长，是一个世界公认的、复杂的多学科综合性系统工程[1]。机匣是航空发动机上最关键、最重要的部件之一，它是支撑转子和固定定子的重要部件。发动机的推力也是通过机匣传到飞机上的，因此机匣是重要的承力部件，所以对机匣的强度要求比较高。在工作状态下，机匣承受发动机的气体负荷和质量惯性力，这些负荷以轴向力、横向力或侧向力、弯矩、扭矩等形式同时作用在机匣上[2]。机匣还承受由温度、温差引起的热负荷，以及热负荷对材料强度带来的变化所引起的应力。在飞机的每次起飞降落过程中，机匣承受由发动机的启动→工作状态→停车和飞机机动飞行引起的循环压力、扭转载荷以及震动载荷。受发动机工作循环和飞机起飞、降落的影响，机匣受到的载荷是循环变化的。作为高空环境运行部件，就必须要满足静强度要求和疲劳强度要求，必须具有足够的稳定性；对工作在高温下的机匣，要求其在整个寿命期内有足够的抗蠕变能力；在转子叶片断裂时，保证飞机和乘员的安全，还要求机匣具有过负荷包容能力。因此机匣的结构设计除了要满足支撑功能外，还要求设计方案保证强度、稳定性要求。整体机匣加工技术是一个系统工程技术，该技术涉及NC编程技术、数控技术、刀具技术、材料技术、信息技术、管理技术等，整个机匣加工水平和效率的提高需要以上各技术应用的综合提高。机匣是典型的高强度要求薄壁件(最薄处只有几毫米，而外径可达一到两米)，其结构复杂、材料难加工、加工余量大、易产生变形。作为航空发动机的核心部件，机匣的制造质量对发动机的整体性能影响很大[3]。而现有机匣加工工艺稳定性、成熟性和可靠性不高，生成周期长、成本高，许多应用于制造工艺的新机理、新方法、新结构、新技术尚未采用。因此，为了适应数字化生产条件下的机匣加工需求，现有的机匣加工技术必须通过技术革新予以变革。航空发动机机匣材料一般多采用钛合金、高温合金等耐高温、难切削材料，从毛坯到成品的加工过程中，大约有70%的材料被切除，其中绝大部分是在粗加工阶段完成。因此，机匣的高效粗加工是实现机匣高效加工、缩短本科毕业设计论文2制造周期的关键[4]。1.2国内外研究现状1.2.1复杂结构类零件粗加工技术开式整体叶盘通道属于特殊类曲面型腔结构，其粗加工可采用侧铣法与插铣法。Chiou[5]提出了一种加工腔槽的五坐标刀具轨迹生成方法——FWC方法，利用腔槽的底面、侧面和顶面，通过平移、缩放、旋转等操作生成了光滑连续无干涉的侧铣刀具轨迹，并成功应用于叶轮通道的粗加工。Young和Chuang[6,7]对直纹面叶轮的侧铣粗加工方法进行了研究，提出了刀轴计算方式及刀位轨迹生成方法，其刀轴计算沿用了精加工中的侧铣刀轴方向。Bala[8]提出了可视锥、可达锥的概念，进行复杂腔槽加工可见性与可达性分析，并据此生成无干涉的五坐标粗加工轨迹。在规划刀具轨迹时，合理选取