航发燃烧室机匣切削变形仿真分析与工艺优化

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燃烧室机匣是航空发动机的重要组成部分,多为高温合金材料,且其广泛采用薄壁类结构。薄壁件多出现刚性差、材料加工困难、加工变形严重等问题,制约发动机的生产制造。本研究基于有限元仿真,对薄壁件机匣车削加工中的切削力和加工变形等进行研究,并对加工工艺参数进行分析和优选,对实际生产起着指导意义。对机匣实际车削加工工况下的GH4169材料进行切削力仿真,并分析不同工艺参数对切削力的影响规律。本文的研究对象为某型号航空发动机燃烧室机匣,材料为GH4169镍基高温合金。通过考虑实际切削角度和加工参数,分别建立圆角车削(Nose Turning)和外圆车削(OD Turning)两种Advant Edge三维车削有限元模型。对两种三维车削切削力仿真结果进行对比和分析,得到两种仿真结果的三向切削力误差在10.5%左右,验证了仿真结果的有效性。基于不同水平下的切削力仿真结果对进给量、切削速度、切削深度和主偏角进行工艺参数分析,结果表明切削力随进给量和切削深度的增大而显著增大,随切削速度的增大而先减小并逐渐趋于平稳,几乎不随主偏角的变化而变化。对机匣壳体型面加工中的让刀变形进行有限元仿真,并以让刀变形为目标,对加工工艺参数进行优选。建立机匣壳体Solidworks三维模型,对其进行Hyper Mesh六面体网格划分前处理,基于此,建立机匣壳体Abaqus让刀变形有限元模型,并基于Python对Abaqus有限元模型进行二次开发和参数化建模,得到不同位置处的机匣壳体型面让刀变形量,结果表明让刀量在0.01~0.02mm范围内,让刀变形呈现先增大、后减小趋势,与机匣壳体型面刚度相关。通过对切削角度建模、开展进给量和切削速度的正交仿真实验,以最大让刀变形量最小化为目标,对不同加工参数进行优选,结果表明选取“小进给、大切速”的加工参数较为合适。对机匣壳体开展车削加工与测量实验及刀具磨损观测实验。介绍了机匣壳体车削工艺过程,并对其开展实际加工实验。通过三坐标离线测量机匣型面壁厚和大端圆度,结果表明壁厚加工误差随车削的进行逐渐增大,与让刀变形和刀具磨损有关,圆度无规律变化。开展后刀面和刀尖圆弧处的刀具磨损观测实验,结果表明实际加工中刀具仅依靠刀尖圆弧进行车削,刀尖圆弧磨损在0.01~0.02mm范围内,且越靠近前刀面磨损越剧烈。
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