【摘要】：空心渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件,目前主要采用熔模精密鑄造工藝輔以機(jī)械加工方法制造�？招臏u輪葉片壁厚精度是保證葉片強(qiáng)度以及冷卻效率的重要指標(biāo),對(duì)葉片壽命具有決定性影響。根據(jù)精鑄工藝流程,渦輪葉片壁厚精度主要由精鑄蠟型壁厚精度進(jìn)行保證。現(xiàn)階段,國內(nèi)空心渦輪葉片的壁厚嚴(yán)重超差、質(zhì)量不穩(wěn)定,已成為影響無余量空心渦輪葉片精鑄合格率主要原因之一。因此,深入開展精鑄蠟型壁厚控制方法研究,對(duì)于提升空心渦輪葉片的成型質(zhì)量,保障高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和批產(chǎn),具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文圍繞航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心渦輪葉片精鑄蠟型壁厚精度控制難題,從蠟型模具陶芯定位夾緊工藝過程入手,綜合運(yùn)用剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)、接觸力學(xué)、計(jì)算幾何以及有限元仿真等相關(guān)知識(shí),對(duì)陶芯定位夾緊布局設(shè)計(jì)、定位元件尺寸補(bǔ)償以及夾持工藝實(shí)現(xiàn)等問題展開深入研究,最終通過改善陶芯-蠟型位置的匹配關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了空心渦輪葉片精鑄蠟型壁厚的精確控制。論文主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)陶芯定位布局優(yōu)化:為揭示定位誤差對(duì)陶芯定位精度的影響機(jī)制,首先基于剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí),建立了陶芯定位誤差傳遞模型;之后,根據(jù)靜力平衡原理,建立了基于力平衡約束的陶芯定位布局優(yōu)化模型;最后針對(duì)陶芯表面定位候選點(diǎn)離散分布特性,給出了基于遺傳算法的陶芯定位布局優(yōu)化求解策略。驗(yàn)證結(jié)果表明:基于上述方法優(yōu)化得到的陶芯定位布局方案能夠在確保陶芯定位穩(wěn)定性的同時(shí),進(jìn)一步減小定位誤差對(duì)陶芯定位精度的影響。(2)蠟型充型數(shù)值模擬以及陶芯載荷預(yù)測(cè):結(jié)合有限元仿真技術(shù),提出了蠟料充型物理過程數(shù)值模擬方法;并基于充型過程中蠟型與陶芯接觸面節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)場(chǎng),建立了蠟料沖壓載荷數(shù)值預(yù)測(cè)模型;最后,通過開發(fā)相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)上述預(yù)測(cè)模型進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果發(fā)現(xiàn):上述模型能夠有效預(yù)測(cè)蠟料充型時(shí)對(duì)陶芯的沖壓載荷,且預(yù)測(cè)結(jié)果可用于陶芯表面夾緊點(diǎn)布局方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。(3)陶芯夾緊布局優(yōu)化:基于剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí),建立了陶芯限位充分性判定方法;并結(jié)合接觸力學(xué)相關(guān)理論,建立了充型過程陶芯與限位元件接觸壓力求解模型;最終,綜合運(yùn)用充型過程陶芯載荷預(yù)測(cè)結(jié)果、陶芯與限位元件接觸壓力求解模型以及粒子群算法,給出了陶芯夾緊點(diǎn)布局優(yōu)化求解策略。驗(yàn)證結(jié)果證明:基于上述方法獲得的陶芯夾緊布局方案能夠在確保陶芯充分限位的同時(shí)限制陶芯與限位元件之間接觸壓力,從而有效防止了蠟料充填過程中由于限位元件擠壓而導(dǎo)造成的陶芯開裂現(xiàn)象。(4)陶芯定位補(bǔ)償:利用工業(yè)CT測(cè)量技術(shù)以及B樣條造型理論,建立了空心渦輪葉片精鑄蠟型內(nèi)外型面三維重建方法;并以消除蠟型關(guān)鍵位置壁厚偏差為目標(biāo),提出了陶芯空間位姿優(yōu)化模型以及定位元件尺寸補(bǔ)償量計(jì)算方法;對(duì)比定位補(bǔ)償前后蠟型壁厚誤差發(fā)現(xiàn)某實(shí)驗(yàn)葉片的壁厚誤差最大值下降了89.9%,該結(jié)果表明:上述陶芯定位元件尺寸補(bǔ)償策略可以有效減小由定位誤差引起的蠟型壁厚偏差。(5)陶芯自動(dòng)化夾持系統(tǒng)開發(fā):綜合運(yùn)用上述理論研究成果,設(shè)計(jì)開發(fā)了具有力反饋功能的空心渦輪葉片精鑄蠟型模具陶芯自動(dòng)夾持系統(tǒng),并通過改進(jìn)陶芯裝夾工藝流程,消除了傳統(tǒng)蠟型模具中陶芯與夾緊元件之間的預(yù)留緩沖間隙。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:利用本文所提方法設(shè)計(jì)的陶芯定位夾持系統(tǒng)可將精鑄蠟型壁厚公差控制在±0.05mm,滿足空心渦輪葉片精鑄蠟型壁厚精度要求。
【圖文】：

如圖1-3 所示，相關(guān)學(xué)者[11]對(duì)熔模精密鑄件跟蹤測(cè)量發(fā)現(xiàn)鑄件尺與蠟型尺寸波動(dòng)情況一致。圖 1-3 鑄件尺寸隨蠟型尺寸波動(dòng)情況[11]綜合上述分析可以得出如下結(jié)論：確保精鑄蠟型滿足壁厚精度要求是制備壁厚合格空心渦輪葉片的首要前提。1.2 蠟型制備工藝過程目前，空心渦輪葉片精鑄蠟型主要通過模壓成型工藝制造[12][13]，如圖 1-4 所示，具體流程包括：首先將反映葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的陶瓷型芯置于模具內(nèi)；之后經(jīng)過合模、鎖模、壓蠟以及冷卻等工藝環(huán)節(jié)獲取最終精鑄蠟型�；谏鲜龉に嚵鞒炭芍涸谀＞咝颓环�(wěn)定的前提下，即：精鑄蠟型外形輪廓精度滿足容差要求，蠟型壁厚精度主要取決于陶瓷型芯與模具型腔的空間位置關(guān)系[14]。目前，為實(shí)現(xiàn)陶芯空間定位以及限制蠟料充

圖 1-4 空心渦輪葉片精鑄蠟型陶芯定位夾持系統(tǒng)分析目前工程中普遍采用的陶芯定位及夾緊元件空間布局發(fā)現(xiàn)如下問題：位元件存在制造及裝配誤差，該誤差會(huì)導(dǎo)致的陶芯實(shí)際位姿一步引起蠟型壁厚超差，如圖 1-5（a）[17]。（在后續(xù)論文中被統(tǒng)一稱為定位誤差。）合理的陶芯夾緊點(diǎn)布局方案可能無法限制壓蠟時(shí)陶芯位姿漂[18]，如圖 1-5（b）。芯材料具有脆硬性，為防止合模時(shí)陶芯在定位及夾緊元件與陶芯之間需要預(yù)留一定裝配間隙（通常為 0.1mm 左右）相對(duì)夾緊元件具備適度退讓性[19]；而正是由于該裝配間隙，，從而影響蠟型壁厚精度，如圖 1-5（c）。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V263

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本文編號(hào)：2603240