整体叶盘强力复合数控铣床盘铣立柱结构优化设计

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1、学校代码10699分类号TP391密级学号2012200858题目整体叶盘强力复合数控铣床盘铣立柱结构优化设计作者孙鹏程学科、专业航空宇航制造工程指导教师史耀耀教授申请学位日期二零一五年三月分类号：TP391学校代码：10699学号：2012200858密级：西北工业大学硕士学位论文（学位研究生）题目整体叶盘强力复合数控铣床盘铣立柱结构优化设计作者孙鹏程指导教师史耀耀专业技术职称教授学科（专业）航空宇航制造工程西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室2015年3月中国西安OptimizationforBliskCompoundandEfficien

2、tPowerfulNCMillingMachine’sDiskMillingColumnBySunPengchengAThesisSubmittedtotheGraduateFacultyoftheNorthwesternPolytechnicalUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterInAeronauticalandAstronauticalManufacturingEngineeringSupervisor:ProfShiYaoyaoKeyLaboratory

3、ofContemporaryDesignandIntegratedManufacturingTechnologyMinistryofEducationofChinaNorthwesternPolytechnicalUniversityMar.2015Xi’an，Shaanxi，P.R.China摘要作为航空发动机实现结构创新和技术跨越的核心部件，整体叶盘的突出优点使其广泛应用于先进、高推重比航空发动机中。然而，由于整体叶盘结构复杂、通道开敞性差、弯扭大，且毛坯一般采用钛合金、高温合金等难加工材料锻造而成，其综合制造难度极大，并且国外先进的加工技术对我国严密封

4、锁。因此，研究整体叶盘通道开槽粗加工方法及工艺装备对于提高加工效率、降低成本具有重要的意义。当前，国内整体叶盘的加工主要依赖进口五坐标机床，利用插铣、侧铣的方法分层切削，加工成本高，效率低。为改变这一现状，实现整体叶盘加工工艺装备的国产化，本文开展了整体叶盘高效强力复合数控铣床及工艺的关键技术研究，特别是该设备的关键承力部件盘铣立柱的静动态特性的分析研究，以实现整体叶盘的通道开槽粗加工，缩短加工周期，降低生产成本，从整体上提高我国整体叶盘制造技术水平。本文主要研究内容如下：首先基于三因素三水平正交试验法设计了钛合金盘铣加工实验，获得了盘铣加工时温度、刀具磨损

5、、变质层、各方向的铣削力和切削激振频率等，其切削力和切削激振频率为对于该设备的主承力部件盘铣立柱静动态特性分析和结构优化提供了基础数据。其次，以数控机床的基本设计原则为基础，综合考虑盘铣、插铣、侧铣的工艺特点，提出了整体叶盘高效强力复合数控铣削机床整体方案，并建立了其三维模型，按加工要求确定了机床的主要参数，并对盘铣立柱进行了简单的介绍。再次，以切削实验获得的切削力和切削激振频率为基础数据，综合考虑加工时的三种极限工况，对机床盘铣立柱进行了静动态特性分析。第一，以实际切削力为基础数据，对盘铣立柱的三种典型工艺状态的变形进行了分析；第二，基于模态分析法分析了立

6、柱的固有频率和振型，同时应用谐响应分析法对盘铣立柱进行了动力学分析研究。最后，基于拓扑技术和元结构技术，优化了盘铣立柱内部结构。采用拓扑优化确定了盘铣立柱内部材料去除步骤，从而确定筋板布置的疏密；利用元结构方法对出砂孔形状、尺寸、数量、筋板厚度等进行了优化。依据优化后获得的最优元结构，重构了盘铣立柱模型。仿真分析结果表明，优化后的盘铣立柱静动态特性均明显提升，立柱质量也显著下降，验证了本文优化方法的可行性和有效性。【关键词】：机床立柱，有限元分析，结构优化，拓扑技术，元结构技术IAbstractAsakeycomponentofnewgenerationae

7、ro-enginewhichtoachievestructuralinnovationandtechnologicalleapfrogging,bliskiswidelyusedinadvancedandhighthrust-weightratioaircraftengineforitsoutstandingmerits.However,thematerialsofworkblankaretitaniumalloyandhightemperaturealloywhicharehardtomanufacture,thestructureofbliskiscom

8、plexandthechannelaccessibi