面向线接触加工的叶片曲面几何建模与容差设计

The integrated impeller is the key component to determine the performance of turbo-machinery. Because large machining width can be obtained, as well as better surface quality and uniformity, five axis flank milling becomes the primary way to improve the manufacturing level of integrated impeller. A unified theoretical framework will be developed for designing and manufacturing of impellers based on the sphere-swept envelope theory. This work will help to improve the rate of line contact machining of impellers while guaranteeing the perforamce. This research will focus on: 1)develop the three dimensional design method for blade surfaces represented by "camber surface-thickness" based on sphere-swept envelope theory; 2)establish the quantitatively relationship of the change of the geometric parameters of the impeller under the deformation of the tool axis trajectory surface based on the sphere-swept models of the cutter and blade surface, and achieve a method to design a flank millable blade surface; 3)develop the model of principle error on aerodynamic performance and geometric mistuning of impellers based on the probabilistic model of impellers due to line contact manufacturing error; 4)develop the performance-based tolerance design method and quality evaluation method by integrating the sensitivity analysis of machining error on impeller performance. Finally, a software with the functions of flank millable blade surface design, tool path generation and quality evaluation will be developed, and the achievements of this project will be used in aeroengines and automotive turbochargers, formulating a new method of flank millable surface and tolerance design.

整体叶轮是决定叶轮机械工作性能的关键零件，其叶片曲面五轴线接触加工具有高切削带宽、高表面质量和高一致性的优势，成为提升叶轮制造水平的重要方法。为保证工作性能前提下提升整体叶轮的线接触加工率，本项目拟将叶片设计与制造统一到双参数球族包络理论的框架下，研究"中弧面-厚度分布"曲面的双参数球族包络模型与叶片曲面三维设计方法，基于刀具包络面和叶片曲面的双参数球族包络模型研究刀具轴迹面控制参数调整对叶片设计参数的影响规律，实现面向整体叶轮线接触加工的三维设计；同时研究线接触加工叶轮误差的统计学模型，研究主要模态误差对气动效率和几何失谐的影响规律，将这两项性能对加工误差的敏感度引入线接触加工领域，研究面向性能的的容差设计和质量评价方法。最后，开发出面向线接触加工的叶轮设计、轨迹规划和质量评价软件，在航空发动机和汽车涡轮增压器中推广应用，为叶片曲面线接触加工提供新方法。

本项目于2014年9月批准立项，2015年1月开始实施，2018年12月结题。项目研究内容包括四个方面：“中弧面-厚度分布”叶片曲面的双参数球族包络模型与三维设计，刀具轴迹面控制参数调整对叶片设计参数的影响规律与可线接触加工叶片曲面的设计方法，叶轮气动效率和几何失谐对误差的敏感度模型，以及融合高敏感度典型误差的可线接触加工叶片的曲面容差设计与质量评价，开发出面向线接触加工的叶轮设计、数控加工和质量评价软件，在航空航天发动机和直纹化涡轮增压器叶轮加工中推广应用。项目研究按原计划实施，主要完成了以下几项研究工作：1）面向五轴线接触加工的曲面直纹化设计，以及曲面直纹化与模型重构软件的开发；2）整体曲率光顺的叶片曲面设计方法；3）加工容差对整体叶轮振动影响的机理分析，以及几何失谐误差对整体叶轮振动影响的分析，并通过主动失谐优化整体叶轮的振动情况；4）加工稳定性优化：基于响应耦合子结构分析的刀尖点频响快速预测方法，铣削过程中瞬态稳定性的判别，以及稳定性约束下的五轴球头刀加工刀轴方向优化；5）五轴加工精度评测与刀具运动规划，包括基于S轨迹的五轴机床动态精度运动学检测与评价方法，五轴机床旋转轴的几何误差建模，五轴机床随位置不同几何误差的微分补偿，以及基于梯度的样条曲线几何插值。6）在项目的资助下，共发表论文18篇，包括期刊论文10篇，其中SCI期刊论文9篇，包括本领域权威期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture7篇，ASME会刊和中国科学各1篇，EI期刊论文9篇，中文核心1篇；国际会议论文8篇，其中EI会议论文2篇。申请发明专利4项，已授权1项；申请软件著作权3项。