高温合金叶片机器人砂带磨削关键技术以及表面完整性研究
发布时间：2021-07-25 21:36
镍基高温合金叶片作为典型的涡轮叶片,其表面质量直接影响航空发动机的服役寿命与使用性能。精铸而成的镍基高温合金叶片无定位基准并且表面余量分布不均,采用人工磨削效率低、质量难以保证,同时采用数控机床磨削成本高、运动空间有限。机器人由于成本低、灵活度高,已被广泛应用于各个加工领域,但是机器人运动精度低,从而制约机器人在航空航天领域的应用。本文针对机器人误差补偿、叶片标定以及对余量分布不均的叶片表面进行路径规划等问题开展研究,提出适用于镍基高温合金叶片砂带磨削加工的关键技术。同时,为保证叶片表面完整性,对镍基高温合金砂带磨削的工艺参数进行研究。本文主要研究工作如下:（1）开展镍基高温合金叶片机器人砂带磨削过程中弱刚性、低运动精度以及弹性变形等特性分析;提出以低弹性系数弥补加工精度的磨削方法并设计具有“N”轴的砂带磨头结构;考虑该结构弱刚性共振特征,对该结构进行模态分析以及谐响应分析,为后续镍基高温合金叶片机器人砂带磨削提供实验平台。（2）结合叶片以及磨头特性,开展叶片标定技术,同时为获得余量分布,测量叶片型面并重构型面模型,规划叶片加工路径并获得余量分布;为实现加工,定义接触轮双矢量方向,建立...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
叶片型
重庆大学硕士学位论文6带磨削中的模型重构、离线编程以及路径优化作为大量研究，并对叶片进行相关实验，实验结果显示叶片的型面精度均小于0.15mm，满足叶片型面精度要求，其实验装置如图1.6(a)所示[29]。华中科技大学陈巍为解决叶片的标定问题，把点云匹配技术应用在机器人砂带磨削系统中，通过该方法的迭代计算，最终匹配误差降低到0.3815mm[30]。哈尔滨工业大学张晖基于三维测量对机器人的加工轨迹进行规划，通过叶片加工实验以及表面粗糙度测量，加工后的叶片表面粗糙度Ra小于0.8μm，满足叶片抛光要求[31]。在高新科技企业中，廊坊智通机器人公司率先开发出具有自主知识产权的机器人磨削系统，用于叶片等复杂型面的磨削加工[29]。重庆三磨海达磨床有限公司针对叶环、叶片等复杂曲面加工自主开发了机器人砂带磨削系统，已在中国航空动力股份有限公司调试使用，其机器人抛光单元如图1.6(b)所示。(a)机器人抛光系统装置(b)Stubli机器人磨削系统图1.5国外机器人砂带磨削系统Fig.1.5Foreignroboticbeltgrindingsystem(a)吉林大学机器人砂带磨削系统(b)三磨海达2M5530ZN机器人抛光单元图1.6国内机器人砂带磨削系统Fig.1.6Domesticroboticbeltgrindingsystem
队胪饩渡?节点沿Z向的位移量，计算出不同磨削压力下拉簧的伸缩量变化以及橡胶沿Z向的最大压缩量变化。由于整个装置的变化均在线性变化范围内，因此，对于仿真结果，各个节点的位移量变化与施加压力成正比。磨削压力为5N变化到20N时，拉簧的拉伸量变化分别为19.48mm，38.94mm，58.42mm，77.90mm，橡胶的压缩量分别为0.088mm、0.116mm、0.145mm以及0.173mm。所以，磨削压力每变化1N，拉簧的拉伸量变化为3.90mm，然而，橡胶的压缩量变化为0.0056mm。因此，整个砂带磨削叶片装置的磨削压力主要通过拉簧的拉伸量进行调节。图2.6磨削压力下的仿真位移图Fig.2.6Simulateddisplacementmapundergrindingpressure2.3高温合金叶片机器人砂带磨削磨头振动分析2.3.1磨削动态特征分析镍基高温合金精铸叶片机器人砂带磨削磨头装置中，拉簧的低弹性系数决定了磨头具有弱刚性特征。在机器人砂带磨削加工叶片过程中，由于砂带不断有磨粒切入与切出叶片，磨头在加工过程会产生振动。特定的工艺参数会使接触轮组件沿着Z向产生共振，导致加工过程中出现接触不稳定情况，从而影响加工后的表面质量。因此，必须对接触轮组件以及拉簧部分进行振动分析。在砂带磨削叶片装置的有限元分析中，其振动方程为[47]：
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空发动机叶片机器人精密砂带磨削研究现状及发展趋势[J]. 黄云,肖贵坚,邹莱. 航空学报. 2019(03)
[2]航空发动机第5级静子叶片榫头加工工艺优化[J]. 万敏,安铃芝,胡登洲,刘志学. 过程工程学报. 2017(02)
[3]Surface integrity of GH4169 affected by cantilever finish grinding and the application in aero-engine blades[J]. Li Xun,Ma Shuang,Meng Fanjun. Chinese Journal of Aeronautics. 2015(05)
[4]镍基高温合金GH4169磨削参数对表面完整性影响[J]. 黄新春,张定华,姚倡锋,任敬心. 航空动力学报. 2013(03)
[5]单晶空心涡轮叶片精确控形技术的研究进展[J]. 李世峰,张定华,卜昆. 稀有金属材料与工程. 2012(03)
[6]机器人修形磨削工具坐标系的精确标定方法[J]. 王伟,贠超,孙坤,王媛媛. 北京航空航天大学学报. 2009(06)
博士论文
[1]基于长疲劳寿命的钛合金Ti6Al4V铣削加工表面完整性研究[D]. 杨东.山东大学 2017
[2]机器人磨削叶片关键技术研究[D]. 赵扬.吉林大学 2009
硕士论文
[1]机器人砂带磨削航发叶片关键技术研究[D]. 任旭.重庆大学 2017
[2]航发叶片自适应砂带磨削系统集成方案及其关键技术研究[D]. 丁庆春.重庆大学 2017
[3]某航空发动机涡轮叶片的振动特性试验及分析[D]. 董妍.大连理工大学 2016
[4]某机转子叶片工艺研究[D]. 刘耀毅.大连理工大学 2016
[5]整体叶盘磨抛工具系统控制研究[D]. 高亚鹏.吉林大学 2016
[6]基于三维测量的抛光机器人轨迹规划技术研究[D]. 张晖.哈尔滨工业大学 2015
[7]基于砂带磨削工艺的航空发动机叶片数控加工自动编程方法研究[D]. 杨宇航.重庆大学 2015
[8]叶片多轴数控加工技术研究[D]. 董宜荣.沈阳工业大学 2015
[9]三坐标测量机采样预测方法及测头补偿技术研究[D]. 王洋.东北大学 2014
[10]点云匹配技术在机器人砂带磨削系统中的应用研究[D]. 陈巍.华中科技大学 2014
本文编号：3302823
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
叶片型
重庆大学硕士学位论文6带磨削中的模型重构、离线编程以及路径优化作为大量研究，并对叶片进行相关实验，实验结果显示叶片的型面精度均小于0.15mm，满足叶片型面精度要求，其实验装置如图1.6(a)所示[29]。华中科技大学陈巍为解决叶片的标定问题，把点云匹配技术应用在机器人砂带磨削系统中，通过该方法的迭代计算，最终匹配误差降低到0.3815mm[30]。哈尔滨工业大学张晖基于三维测量对机器人的加工轨迹进行规划，通过叶片加工实验以及表面粗糙度测量，加工后的叶片表面粗糙度Ra小于0.8μm，满足叶片抛光要求[31]。在高新科技企业中，廊坊智通机器人公司率先开发出具有自主知识产权的机器人磨削系统，用于叶片等复杂型面的磨削加工[29]。重庆三磨海达磨床有限公司针对叶环、叶片等复杂曲面加工自主开发了机器人砂带磨削系统，已在中国航空动力股份有限公司调试使用，其机器人抛光单元如图1.6(b)所示。(a)机器人抛光系统装置(b)Stubli机器人磨削系统图1.5国外机器人砂带磨削系统Fig.1.5Foreignroboticbeltgrindingsystem(a)吉林大学机器人砂带磨削系统(b)三磨海达2M5530ZN机器人抛光单元图1.6国内机器人砂带磨削系统Fig.1.6Domesticroboticbeltgrindingsystem
队胪饩渡?节点沿Z向的位移量，计算出不同磨削压力下拉簧的伸缩量变化以及橡胶沿Z向的最大压缩量变化。由于整个装置的变化均在线性变化范围内，因此，对于仿真结果，各个节点的位移量变化与施加压力成正比。磨削压力为5N变化到20N时，拉簧的拉伸量变化分别为19.48mm，38.94mm，58.42mm，77.90mm，橡胶的压缩量分别为0.088mm、0.116mm、0.145mm以及0.173mm。所以，磨削压力每变化1N，拉簧的拉伸量变化为3.90mm，然而，橡胶的压缩量变化为0.0056mm。因此，整个砂带磨削叶片装置的磨削压力主要通过拉簧的拉伸量进行调节。图2.6磨削压力下的仿真位移图Fig.2.6Simulateddisplacementmapundergrindingpressure2.3高温合金叶片机器人砂带磨削磨头振动分析2.3.1磨削动态特征分析镍基高温合金精铸叶片机器人砂带磨削磨头装置中，拉簧的低弹性系数决定了磨头具有弱刚性特征。在机器人砂带磨削加工叶片过程中，由于砂带不断有磨粒切入与切出叶片，磨头在加工过程会产生振动。特定的工艺参数会使接触轮组件沿着Z向产生共振，导致加工过程中出现接触不稳定情况，从而影响加工后的表面质量。因此，必须对接触轮组件以及拉簧部分进行振动分析。在砂带磨削叶片装置的有限元分析中，其振动方程为[47]：
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空发动机叶片机器人精密砂带磨削研究现状及发展趋势[J]. 黄云,肖贵坚,邹莱. 航空学报. 2019(03)
[2]航空发动机第5级静子叶片榫头加工工艺优化[J]. 万敏,安铃芝,胡登洲,刘志学. 过程工程学报. 2017(02)
[3]Surface integrity of GH4169 affected by cantilever finish grinding and the application in aero-engine blades[J]. Li Xun,Ma Shuang,Meng Fanjun. Chinese Journal of Aeronautics. 2015(05)
[4]镍基高温合金GH4169磨削参数对表面完整性影响[J]. 黄新春,张定华,姚倡锋,任敬心. 航空动力学报. 2013(03)
[5]单晶空心涡轮叶片精确控形技术的研究进展[J]. 李世峰,张定华,卜昆. 稀有金属材料与工程. 2012(03)
[6]机器人修形磨削工具坐标系的精确标定方法[J]. 王伟,贠超,孙坤,王媛媛. 北京航空航天大学学报. 2009(06)
博士论文
[1]基于长疲劳寿命的钛合金Ti6Al4V铣削加工表面完整性研究[D]. 杨东.山东大学 2017
[2]机器人磨削叶片关键技术研究[D]. 赵扬.吉林大学 2009
硕士论文
[1]机器人砂带磨削航发叶片关键技术研究[D]. 任旭.重庆大学 2017
[2]航发叶片自适应砂带磨削系统集成方案及其关键技术研究[D]. 丁庆春.重庆大学 2017
[3]某航空发动机涡轮叶片的振动特性试验及分析[D]. 董妍.大连理工大学 2016
[4]某机转子叶片工艺研究[D]. 刘耀毅.大连理工大学 2016
[5]整体叶盘磨抛工具系统控制研究[D]. 高亚鹏.吉林大学 2016
[6]基于三维测量的抛光机器人轨迹规划技术研究[D]. 张晖.哈尔滨工业大学 2015
[7]基于砂带磨削工艺的航空发动机叶片数控加工自动编程方法研究[D]. 杨宇航.重庆大学 2015
[8]叶片多轴数控加工技术研究[D]. 董宜荣.沈阳工业大学 2015
[9]三坐标测量机采样预测方法及测头补偿技术研究[D]. 王洋.东北大学 2014
[10]点云匹配技术在机器人砂带磨削系统中的应用研究[D]. 陈巍.华中科技大学 2014
本文编号：3302823
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