航空发动机五轴联动叶片专用制造装备优化设计

霍一飞

摘 要：叶片作为航空发动机的重要组成部件，其加工质量直接影响发动机的运行功能，所以为了提高叶片的加工质量和效率，对其五轴联动叶片专用制造装备进行优化设计。文章通过对该装备的重要结构进行动态特性分析，然后发现结构中存在的缺陷，并对其进行优化设计，最后将优化前和优化后的结果进行比较。研究结果表明改进后的装备能够降低其变形量，另外还能够增加固有频率，于是能够验证文章的优化设计具有合理性和有效性。

关键词：发动机;葉片;制造装备;优化

中图分类号：V263 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）04-0142-04

Abstract：As an important component of an aero-engine， the processing quality of the blade directly affects the running function of the engine， so in order to improve the processing quality and efficiency of the blade， its five-axis linkage blade special manufacturing equipment is optimized for design. The paper analyzes the dynamic characteristics of the important structure of the equipment， then finds the defects in the structure， and optimizes the design， and finally compares the results before and after optimization. The research results show that the improved equipment can reduce the amount of deformation， and also increase the natural frequency， so it can verify that the optimized design of the paper is reasonable and effective.

Key words：engine; blade; manufacturing equipment; optimization

随着我国科学技术的不断发展，航空制造领域关乎着我国的经济发展和国家地位，所以为了提高我国的航空制造领域需要不断对这个制造装备进行优化设计，从而使其具备更加优异的性能[1]。航空发动机叶片属于非常重要的结构，该结构在制作时需要非常高端、顶尖且精密的制造设备，所以在我国制造业中加工叶片属于重难点项目[2-3]。并且国内外对其进行了非常多的研究，主要包含3个方面，第1个方面，通过多学科的优化方式，使用计算机分析手段对叶片进行设计研究;第2个方面，对叶片制作过程中的工艺进行优化，其中涉及到的加工参数进行调整;第3个方面，对制造叶片的设备进行改进，从而提高叶片生产的质量。提高制造设备的加工性能最主要的手段之一就是分析机床动态特性[4-6]。五轴联动叶片作为非常复杂的叶片，其加工比较困难，但是在航空航天具有非常重要的作用。于是文章为了提高五轴联动叶片的质量、性能和加工速度，文章对其专用制造装备进行了优化设计，主要对其结构进行分析和优化，目的在于提高机床的动态特性，从而提高五轴联动叶片的加工质量。

1 机床设计

通过对产品的制造成本进行研究发现，产品在设计阶段时就已经决定着成品70%的造成成本，然而设计阶段所占的成本只是整个开发阶段的6%，所以产品的设计阶段非常重要，决定着产品的成本和质量[7]。制造业中最为基础重要的装备就是机床，生产五轴联动叶片专用制造设备就需要使用到机床，对机床的设计可以划分为四个不同阶段，分别为产品规划、技术设计、方案设计和工业设计。由于随着科学技术的不断发展和人类生产生活的提高，传统的设计方法已经不能满足于当下的设计要求，比如周期、成本和功能方面都无法满足新的需求。现代通过使用CAD/CAE、有限元法等技术能够对产品进行自动分析，然后对产品的设计阶段进行优化，因而能够提高产品设计效率，从而缩短设计周期，并且还能够提高产品的动态性能。使得制造企业能够实现快速响应社会、大规模生产、低成本生产等目标。所以对五轴联动叶片专用制造装备进行优化设计时文章将会使新技术，从而设计出综合性能更好的设备。

2 叶片加工设计

航空发动机中叶片是非常重要的部件，能够实现发动机的功能，所以叶片的加工质量直接影响着发动机的使用时间和工作效率。叶片的性能主要包含抗热疲劳、形状和强度等。所以通过从这几个方面提高叶片性能，将有助于提高航空发动机的使用效果。五轴联动叶片的加工非常困难，所以当前制造五轴联动叶片加工中心属于高精、高校的数控加工设备，该装备具备非常多的性能，能够解决复杂曲面的生产，所以能够在叶片的生产中具有比较好的效果。

2.1 叶片加工特点和设计要求

由于叶片主要应用与航空发动机中，使得叶片需要设计为非常薄的形状，文章设计的叶片示意图如图1所示，该叶片的长宽大致为26.5mm和28.8mm，轮廓度为R0.05～0.08，前后缘转接为R0.1～0.03。从图中可以看出，其表面为自由曲面，在加工过程中，使用数控铣削方法，使用这种方式就会使得叶片产生较大的加工变形[8]。文章所设计的叶片材质为高温镍基合金材料GH4169，因为这种材质具有非常高的强度和耐高温性能，正好满足发动机的使用要求。叶片在加工时要求较大的切削力，于是在切割过程中就会产生比较高的温度，温度升高就会造成刀具和切削粘连度增加，还会造成更大的机械磨损，于是需要提高加工机床的性能要求。

2.2 叶片专用制造装备尺寸和参数设计

文章根据航空发电机叶片的结构特点，然后使用我国研发的一种五轴联动叶片专用制造装备进行加工，该装备的示意图如图2所示。该装置能够实现X轴、Y轴、Z轴和A轴、C轴联动，主轴的最高速度为2400r/min，然后X轴、Y轴、Z轴的直线距离分别是300mm、250mm、300mm。为了提高制造装备的稳定性，其移动部件使用的是方形框架结构，并且装备的整体结构为对称结构。

3 葉片专用制造装备结构分析

在对构件进行加工生产时，机床会进行高速切削工作，于是机床各组成结构的动态性能会对机床的抗振性能、使用寿命、精度和切削效率都会造成最直接的影响[9]。当机床的动态性能受到影响之后，就会造成加工构件表面成形运动轨迹的准确性。于是为了提高加工质量和效率，文章分析了装备中重要组成结构的动、静态特性，然后对结构进行优化设计。

3.1 床身动态特性分析及优化

3.1.1 床身模型简化和处理

文章对床身模型进行简化和处理时使用的软件为三维软件，因为这个方式能够提高简化效果，模型简化包含的内容可以是删除小孔、圆角和倒角等特征，然后还需要对小锥度、小曲率的平面和直线进行处理等。为了固定床身，需要将其使用M16地脚螺栓和地面进行相连接，然后使用的建模方式为线性弹簧-阻尼单元法。穆希望等提出了一种结合面刚度参数识别经验公式如下所示[10]：

其中，k表示的是切向刚度kt或者法向刚度kn，该刚度的单位为N/?m，α和β表示的是与结合面材料、表面粗糙度、加工方式和润滑状况等相关的因素，P表示的是压力， ΔS表示的是时间接触面积。文章通过参考翁德凯等人的研究数据，将切向α设置为132786，法向β设置为0.37，将法向α设置为806256，法向β设置为0.8。然后通过上述公式计算出kt和kn，即、。

3.1.2 床身动态特性和静力分析

表1即为床身在前面3个阶中固有振型和频率描述，表3即为各阶段振型。获得的静力分析结果如图4所示，从图中可以看出中间部分出现较为明显的凹陷现象，通过计算之后其最大变形量为9.34?m。

3.1.3 床身模型优化和改进结果

通过仿真分析之后，床身处于低阶时，会出现整体变形或者移动现象，并且其中发生变形的面积比较大，且较为集中，该变形位置属于结构重要承载位置。于是为了提高结构的稳定性，需要对其进行优化设计。在优化设计时不能增加工艺复杂性，于是使用优化方式是加大床身底面支撑面积，然后在重要承载位置的床身底部使用填充和加固回型筋板。使用这种优化方式之后获得模型如图5所示，为了形成对比，将其优化前的模型也进行描述。

然后进行模型模态分析，表2即为优化前和优化后的前3阶结果对比。从表中可以看出，优化之后的三阶结果都有明显的提高、另外振型图如图6所示，在相同条件下，优化之后的机床变形发生了较大改善。静力分析结果如图7所示，该图中最大变形量为5.74?m，而没有进行优化时其最大变形量为9.34?m，变形量大致降低了一半。

3.2 X轴导向滑座动态特性分析和优化

3.2.1 X轴导向滑座分析

X轴导向滑座的固定方式是使用M24螺栓和床身进行连接，文章上面已经分析过模型简化处理方式，于是通过计算之后，获得、。

根据X轴导向滑座的受力特点可知，主要分析其振型和受力变形情况。于是表3即为固有频率和振型藐视，图8即为振型，图9为静力分析结果，从中能够得到最大变形量为11.6?m，发生明显变形的部位主要为前侧。

3.2.2 模型优化和改进结果分析

通过上述分析可知变形量比较大，于是就会降低刀具的位置精度。于是需要对其进行改进。在X轴滑座前侧中间位置存在一个凹槽，但是通过分析之后，该凹槽没有特殊工艺要求，而且为了增加X轴滑座的强度，使其变形较低，于是将该凹槽进行填补，图10即为优化前后模型对比。

然后再对优化后的模型进行分析，前三阶结果如表3所示，通过表3的对比分析，能够观察到优化之后能够明显提高固有频率，且能够明显改善床身的变形量，振型图如图11所示。然后图12即为静力分析结果，其最大变形量为6.9?m，而没有优化之前其最大变形量为11.6?m，变形量降低了4.7?m。

4 结语

通过上述分析，文章对五轴联动叶片制造装备进行分析，发现其中存在一定的问题，导致叶片加工质量不好和效率较低，于是为了提高叶片的加工效果，文章对其制作装备进行了优化，主要就机床的X轴导向滑座和床身进行了优化，通过优化设计之后发现能够大幅度降低机床的变形量，并且非常明显的增加了固有频率。所以文章通过对五轴联动叶片专用制造装备进行优化设计具有不错的效果。

参考文献

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[10]穆希望，米洁.基于关键螺栓结合面的立主轴模态分析[J].制造技术与机床，2014（8）：78-82.