航发钛合金叶片纵向砂带磨削表面完整性及其疲劳寿命影响机制

The fatigue life of aero-engine titanium-alloy blade is greatly influenced by the surface integrity. Based on the principle of anti-fatigue manufacturing, a new method named longitudinal belt grinding (LBG) is proposed. The longitudinal texture to the direction of the blade length, especially for the root, could be formed by LBG, which is beneficial to improve the static and dynamic performance for the fatigue life of the blade under the thermal interaction environment. But the surface integrity of LBG and its influential on the fatigue life of aero-engine titanium-alloy blade are unresolved, and the scientific evaluation for the new grinding method is lacked. Therefore, this project takes the aero-engine titanium alloy blade as the research object, the LBG grinding motion and its effect on the surface are analyzed, and then the formation rule of surface integrity influenced by LBG process are revealed. The typical surface integrity parameters are obtained by statistical analysis, and a micro-structural model is established, which is based on the model of equivalent particle and multi-body dynamics. The rule of fatigue life for blade, which is influenced by the LBG surface property is studied, and the constraint conditions of the actual working conditions are set up by the thermal interaction on the blade, then the coupling model of the fatigue life is established. The basic theory of belt grinding for aero-engine blade would be enriched, and a theoretical basis and technical support for the application of the LBG could be provided, which facing to the anti-fatigue manufacturing for other key components of aero-engine, and then the performance of the aero-engine would be promoted.

航发钛合金叶片的表面完整性对其疲劳寿命影响巨大。纵向砂带磨削是基于抗疲劳制造原理而提出的一种新方法，以期形成沿着叶片表面、特别是根部的纵向纹理，有利于提高叶片在热力交互作用环境下的静动态疲劳寿命。但是目前尚未明确纵向砂带磨削表面完整性及其对叶片疲劳寿命的影响机制，从而缺乏对这一新型磨削方法的科学评价。因此，本项目以航发钛合金叶片为研究对象，分析纵向砂带磨削运动及其对表面的作用，并通过磨削工艺实验揭示纵向砂带磨削对叶片表面完整性的影响规律；在此基础上采用数据统计分析得到其典型表面完整性特征参数，并基于等效颗粒和多体系统动力学建立其微观结构模型；进而以叶片热力耦合作用实际工况环境设置约束条件，分析表面特征参数对叶片疲劳寿命的影响规律并获得其耦合关系模型。该研究成果将丰富航发叶片砂带磨削基础理论，为纵向砂带磨削方法在其他航发关键零部件的抗疲劳制造奠定理论及技术基础，促进航空发动机性能水平的提升。

叶片作为航空发动机最关键的零件之一，其表面粗糙度、残余应力、显微硬度等加工表面质量直接决定了航空发动机的性能水平和使用寿命。目前的叶片磨削加工表面主要以横向纹理为主（包括磨料流、砂带磨削以及手工抛光等方法），且基于该纹理的表面粗糙度、残余应力等表面完整性特征对其疲劳寿命影响较大。因此需要进行面向叶片疲劳寿命优化的航发叶片精密砂带磨削方法的研究，提高航空发动机的使用性能及其疲劳寿命。.通过对纵向砂带磨削原理的研究，获得了叶片根部、进排气边缘、叶身内外弧等叶片全型面与磨具系统的单颗粒及多颗粒纵向砂带磨削原理模型；建立了纵向砂带磨削速度、进给速度、磨削步距等运动因素的计算数学模型；得到了基于表面纹理、粗糙度、残余应力等钛合金叶片纵向砂带磨削后的表面完整性的典型特征，并获得表面特征定性评价参数；在Ansys软中建立了叶片表面完整性特征及其布，并分析和得到了其对叶片振动频率、应力分布、变形、热分布和谐响应等参数的影响规律，建立了粗糙度、残余应力、显微硬度等表面完整性特征参数与叶片疲劳寿命的计算模型。通过上述内容的研究，纵向砂带磨削参数和表面完整性特征对疲劳寿命的影响，建立了表面特征参数和叶片疲劳寿命的关系模型。项目取得的研究进展扩展了叶片砂带磨削基础理论，形成了抗疲劳制造技术，为航发叶片疲劳寿命提升提供了理论及技术基础。.本项目的研究成功应用于33台（套）航发叶片自适应数控砂带磨削装备设计中，实现了国内中国南方航空工业集团有限公司、中航动力股份有限公司等单位50余类型号的叶片的抗疲劳加工。经应用研究，叶片全型面纵向砂带磨削以后表面粗糙度≤0.4μm，距排气缘3mm范围内的叶片型面轮廓度≤0.06mm，表面残余压应力达到-450MPa，形成了预期的纵向表面纹理。加工的叶片在中国航发南方工业有限公司的叶片疲劳测试中其寿命提高了30%，显著提高了叶片疲劳寿命。本项目共培养博士后2名，博士研究生4名和硕士研究生5名；发表SCI/EI检索论文19篇；申请发明专利8项，其中授权1项，实现1项专利并实现成果转化，制定行业标准1项，荣获中国机械工业科学技术一等奖；参加学术会议21人次，并举办国内学术会议1次。