整体叶盘强力复合数控铣床盘铣立柱结构优化设计

发布时间：2021-04-21 13:55

作为航空发动机实现结构创新和技术跨越的核心部件,整体叶盘的突出优点使其广泛应用于先进、高推重比航空发动机中。然而,由于整体叶盘结构复杂、通道开敞性差、弯扭大,且毛坯一般采用钛合金、高温合金等难加工材料锻造而成,其综合制造难度极大,并且国外先进的加工技术对我国严密封锁。因此,研究整体叶盘通道开槽粗加工方法及工艺装备对于提高加工效率、降低成本具有重要的意义。当前,国内整体叶盘的加工主要依赖进口五坐标机床,利用插铣、侧铣的方法分层切削,加工成本高,效率低。为改变这一现状,实现整体叶盘加工工艺装备的国产化,本文开展了整体叶盘高效强力复合数控铣床及工艺的关键技术研究,特别是该设备的关键承力部件盘铣立柱的静动态特性的分析研究,以实现整体叶盘的通道开槽粗加工,缩短加工周期,降低生产成本,从整体上提高我国整体叶盘制造技术水平。本文主要研究内容如下:首先基于三因素三水平正交试验法设计了钛合金盘铣加工实验,获得了盘铣加工时温度、刀具磨损、变质层、各方向的铣削力和切削激振频率等,其切削力和切削激振频率为对于该设备的主承力部件盘铣立柱静动态特性分析和结构优化提供了基础数据。其次,以数控机床的基本设计原则为基础,综合考虑盘铣、插铣、侧铣的工艺特点,提出了整体叶盘高效强力复合数控铣削机床整体方案,并建立了其三维模型,按加工要求确定了机床的主要参数,并对盘铣立柱进行了简单的介绍。再次,以切削实验获得的切削力和切削激振频率为基础数据,综合考虑加工时的三种极限工况,对机床盘铣立柱进行了静动态特性分析。第一,以实际切削力为基础数据,对盘铣立柱的三种典型工艺状态的变形进行了分析;第二,基于模态分析法分析了立柱的固有频率和振型,同时应用谐响应分析法对盘铣立柱进行了动力学分析研究。最后,基于拓扑技术和元结构技术,优化了盘铣立柱内部结构。采用拓扑优化确定了盘铣立柱内部材料去除步骤,从而确定筋板布置的疏密;利用元结构方法对出砂孔形状、尺寸、数量、筋板厚度等进行了优化。依据优化后获得的最优元结构,重构了盘铣立柱模型。仿真分析结果表明,优化后的盘铣立柱静动态特性均明显提升,立柱质量也显著下降,验证了本文优化方法的可行性和有效性。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V263

文章目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 整体叶盘加工技术现状

1.2.1 国外制造技术现状

1.2.2 国内现状

1.3 整体叶盘高效强力复合铣削加工及工艺装备

1.3.1 整体叶盘数控加工技术

1.3.2 盘铣加工工艺的研究

1.3.3 整体叶盘数控加工装备

1.3.4 结构优化方法研究

1.4 课题来源

1.5 本文的主要内容

第二章钛合金盘铣铣削加工实验

2.1 整体叶盘材料及毛坯

2.2 整体叶盘加工方法

2.2.1 国内现有加工技术对比

2.2.2 高效强力复合铣削工艺方法

2.3 钛合金铣削加工实验

2.3.1 盘铣铣削实验内容

2.3.2 切削效率对比分析

2.3.3 切削力分析

2.3.4 切削频率分析

2.3.5 实验结论

2.4 本章小结

第三章高效强力复合铣床整机布局分析及关键部件设计

3.1 高效强力复合数控铣床设计要求

3.2 机床总体结构设计

3.2.1 机床总体布局分析

3.2.2 机床整体方案

3.2.3 机床总体设计

3.2.4 机床主要技术参数

3.3 机床关键部件介绍

3.4 盘铣主轴结构

3.5 盘铣立柱结构设计

3.6 本章小结

第四章基于有限元的盘铣立柱静动态特性分析

4.1 有限元结构分析基础

4.1.1 有限元法简介

4.1.2 ABAQUS有限元分析软件简介

4.1.3 有限元静力学分析理论

4.1.4 有限元动力学分析理论

4.1.5 有限元分析步骤

4.2 机床盘铣立柱静力学特性分析

4.2.1 静力学分析的基本要求

4.2.2 盘铣立柱实体建模

4.2.3 网格划分

4.2.4 边界条件与载荷

4.2.5 求解和分析

4.3 机床盘铣立柱模态分析

4.3.1 模态分析功能和意义

4.3.2 模态分析的步骤

4.3.3 模态分析结果

4.4 机床盘铣立柱谐响应分析

4.4.1 谐响应分析的理论基础

4.4.2 谐响应分析的方法

4.4.3 谐响应分析的过程

4.4.4 谐响应分析的结果

4.5 本章小结

第五章基于拓扑技术和元结构的盘铣立柱结构优化

5.1 拓扑优化技术

5.1.1 拓扑优化技术概述

5.1.2 拓扑优化方法

5.1.3 拓扑优化目的

5.1.4 ABAQUS拓扑优化步骤

5.2 机床盘铣立柱的拓扑优化

5.2.1 定义和控制优化过程

5.2.2 拓扑优化结果

5.3 元结构优化技术

5.3.1 元结构方法概述

5.3.2 元结构优化目的

5.4 机床盘铣立柱的元结构优化

5.4.1 机床盘铣立柱的元结构

5.4.2 圆形和方形出砂孔在不同孔数与尺寸下对固有频率的影响

5.4.3 筋板厚度对固有频率的影响

5.4.4 侧板元结构的优化

5.5 机床盘铣立柱的重构与对比分析

5.5.1 机床盘铣立柱重构建模

5.5.2 盘铣立柱静力学对比分析

5.5.3 盘铣立柱模态对比分析

5.5.4 盘铣立柱谐响应对比分析

5.5.5 盘铣立柱质量对比分析

5.6 本章小结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

发表论文

参加科研项目

科研成果

致谢

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