钛合金宽弦空心风扇叶片非均质结构加工均一化协同控制研究

Titanium alloy wide-chord hollow fan blade has a heterogeneous structure of curved surface hollow interlayer and solid, which is difficult to machine. To resolve this problem, a method about reconstructing external shape model of heterogeneous surface structure coordinated with its internal shape by means of CAD method is put forward. To reconstruct this model, a full-size measurement method is adopted to achieve hollow fan blade size data, containing external contour data and wall thickness data between internal and external surface of hollow structure. By using error compensation technique and cutting method, the accuracy homogenization of wall thickness is achieved. Meanwhile, an error compensation theory and method are established; A model for forecasting residual stress existing in heterogeneous surface structure which has both high stiffness and low stiffness parts is established. Based on this model, a controlling strategy is formed, which can decrease machining deformation efficiently caused by residual stress. Thus, a cooperative controlling strategy for titanium hollow fan blade machining is obtained. With this strategy, homogeneous accuracy of heterogeneous surface is achieved, and surface local imbalance is avoided or reduced, which can improve high cycle fatigue life of wide-chord hollow fan blade efficiently and susessfully apply in the manufacturing of advanced aero-engine.

针对钛合金宽弦空心风扇叶片的非均质结构（空间曲面空心夹层与实体混杂结构）特征，基于宽弦空心风扇叶片的全尺寸测量数据（叶片外形轮廓数据和空心结构内外形壁厚数据），结合计算机辅助设计方法，重构与叶片非均质空间曲面结构内形相协调的外形模型，并利用误差补偿技术和切削加工手段使空心结构壁厚均匀，建立基于壁厚精度均一化的误差补偿理论与方法；建立强弱相间曲面外形结构加工变形控制预报模型，形成控制策略，控制残余应力引起的零件加工变形。实现利用基于内形的壁厚精度均一化误差补偿方法重构外形模型，并通过有效控制切削加工变形精确获得重构外形轮廓的叶片机械加工协同控制策略，最终保证非均质曲面结构精度均一、避免或减少出现结构局部失衡，以达到提高宽弦空心风扇叶片高周疲劳寿命的目的。项目的研究成功可为钛合金宽弦空心叶片在先进航空发动机中获得应用奠定基础。

钛合金空心风扇叶片因质量轻、强度好和气动效率高等优点，广泛应用于当前主流民用涡扇发动机以及先进军用涡扇发动机中。因在超塑成形/扩散连接工艺中经受多重高温高压热循环过程，钛合金空心风扇叶片毛坯形状一致性差、加工余量分布不均匀、刚性强弱相间、空心瓦楞结构壁厚成形精度不稳定等，导致其数控加工难进而影响航空发动机服役高周疲劳寿命。有鉴于此，本项目提出研究钛合金宽弦空心风扇叶片非均质结构加工均一化协同控制方法的构想。通过全尺寸在机测量，重构与叶片非均质空间曲面结构内形相协调的外形模型，并利用误差补偿技术和切削加工手段使空心结构壁厚均匀；同时应用切削变形控制技术，最终保证非均质曲面结构精度均一、避免或减少出现结构局部失衡，以达到提高宽弦空心风扇叶片高周疲劳寿命的目的。.主要工作包括：.（1）分析了钛合金空心风扇叶片的结构特征及毛坯尺寸状态，建立了复杂曲面外形在机接触式测量系统和空心瓦楞桁架结构蒙皮厚度在机超声检测系统，基于结构特征分别设计了外形测量和壁厚检测的方案，确保高效、精确地获取个性化毛坯的测量数据。.（2）研究了加工余量约束下的测量数据和CAD模型快速精确配准方法，给出了基于点对距离的零件CAD模型修正策略，分析了配准后和修正后风扇叶片毛坯的加工余量分布。.（3）研究了基于自由曲面变形技术的刀位点整体迭代自适应变形方法和基于构造Bezier曲线/曲面的刀位点局部光滑过渡变形方法，给出了变形后刀位点单位法矢方向重新计算的方法，模拟仿真验证了加工路径的正确性。.（4）提出了预测和补偿相结合的加工变形控制策略，建立了综合考虑毛坯内应力状态、装夹约束和切削加工载荷等影响因素的加工变形有限元预测模型，制定了面向复杂曲面结构零件的加工误差迭代补偿方案。.（5）以钛合金空心瓦楞桁架结构试验件为对象，开展了前后缘自适应铣削加工试验，分析了试验件加工精度和表面质量，验证了自适应加工关键技术的正确性以及集成系统的可行性。