核主泵叶轮多轴数控加工工艺规划与优化方法研究

叶轮是核主泵的核心部件，是实现主泵国产化的难点之一。在核辐照、高温、高压的极端工况下，核泵叶轮需要安全、可靠、长寿命的工作。核泵叶轮的制造不仅要采用最优的刀具路径来生成符合形状要求的叶轮曲面，还需研究通过优化加工工艺参数提高叶轮表面机械物理性能、水力特性等性能要素的方法。针对核主泵叶轮制造中加工工艺优化问题，通过理论分析、数值仿真和试验研究的方法，分析核泵叶轮的轮廓精度要求与切削力的关系，建立表面机械物理性能与抗应力腐蚀裂纹之间的关联方程，确立表面形貌对水力特性的影响因素；通过加工参数的多目标优化，减小叶轮加工中不期望的振动和响应误差，以提高叶轮的表面质量；通过计算预测加工路径中的切削力的变化并结合机床伺服参数的调整，研究由复杂曲面生成高效、高精度刀具轨迹的方法，达到提高叶轮曲面加工精度与加工效率并最终实现改善叶轮表面机械物理性能、水力特性等性能要素的目标。

叶轮加工是实现核主泵国产制造里的难点之一。在核辐照、高温、高压、应力腐蚀的极端工况下，核泵叶轮需要安全、可靠地工作。.针对核主泵叶轮制造中加工工艺优化问题，课题组从加工参数的多目标优化方法研究入手，研究了球头刀五轴精铣削切屑厚度与变时滞参数建模方法、五轴铣削动力学建模与铣削表面动态仿真方法、基于变时滞特性的五轴精铣削动力学稳定性预报方法以及面向动力学稳定性的铣削工艺优化方法等内容。课题围绕球头刀自由曲面数控五轴铣削中颤振预报与切削表面质量控制，建立了复杂型面铣削的名义切屑厚度模型，获得了刀刃经过名义切屑前后表面的非均一时间间隔（即变时滞参数）；建立了具有非线性、变时滞特征的球头刀五轴精铣削动力学模型，实现了对切厚再生波纹效应的准确描述；提出了基于变时滞特征的铣削动力学稳定性判据，形成了自由曲面五轴铣削加工的无颤振工艺优化准则。.课题研究围绕核泵叶轮复杂曲面五轴铣削加工为对象，研究由复杂曲面生成高效、高精度刀具轨迹的方法。针对叶片五轴数控铣削加工中的刀具轨迹转向频繁的问题，提出了一种基于空间填充曲线法的双螺旋填充曲线。为了减少加工过程中的冲击，提出用圆角代替直角进行过渡的方法对双螺旋填充曲线进行优化。结合自由曲面的形成过程，提出将平面填充曲线通过与曲面参数相对应的方法映射到曲面上，进而生成加工刀具路径的思想并验证了该轨迹生成方法的可行性。课题还建立了包含直线加减速与正弦加减速的小线段速度运动模型，研究了基于多加工拐点速度控制的小线段高速前瞻控制方法。设计出一种新的高速数控加工小线段前瞻平滑控制迭代算法。.课题建立加工走刀轨迹与应力腐蚀裂纹之间的关联。研究了不同刀具轨迹与核主泵不锈钢叶轮表面裂纹关联关系的实验方法并分析了刀具轨迹对于叶轮表面裂纹生成的影响。采用有限云仿真与实验结合的方法对铣削过程中走刀轨迹对不锈钢材料工件表面完整性的影响进行分析。建立起三维热-力耦合立铣模型，得到不同铣削走刀轨迹条件下工件加工表面残余应力与塑性应变的分布。设计了相应的铣削加工实验，选定的走刀轨迹和切削参数与有限元仿真一致，并对实验加工得到的表面进行表面形貌、表面硬度和表面粗糙度的测量分析。.课题采用有限元软件建立了基于实际工况下核主泵叶轮流场模型，针对叶片所受压力分布、流线分布以及叶片表面在流场中交变应力作用下微裂纹生长扩展建模进行研究。为叶轮表面形貌与水力特性之间关系研究奠定基础。