摘要: 整体叶盘、叶轮等复杂曲面零件作为航空发动机高性能动力传递的关键组件，多服役于高速、高压、高温等复杂环境和工况条件，这些零件具有结构复杂、材料难加工、加工精度高等特点，其加工技术对于提升高端装备性能的影响至关重要。传统技术具有加工成... 展开 整体叶盘、叶轮等复杂曲面零件作为航空发动机高性能动力传递的关键组件，多服役于高速、高压、高温等复杂环境和工况条件，这些零件具有结构复杂、材料难加工、加工精度高等特点，其加工技术对于提升高端装备性能的影响至关重要。传统技术具有加工成本高、加工效率低等缺点，是制约零件加工难点。因此，如何降低发动机整体叶盘和叶轮类零件的制造成本和生产周期，成为航空发动机制造技术亟待解决的关键难题之一。 磨料水射流加工技术具有低成本、高效率和冷态加工等独特的技术优势，目前主要在切割、车削、铣削等二维简单的薄材料方面应用。若实现磨料水射流控形加工大余量难加工材料复杂曲面，使得该加工技术在低成本、高效的广泛应用。然而，对于整体叶盘等零件多为开敞性受限的强几何干涉复杂曲面零件且加工厚度大，如何实现大厚度尺寸的曲面磨料水射流加工面临挑战，国内外对此研究尚不多见。为此本研究面向航空整体叶盘高效控形加工的技术需求，结合国家自然科学基金重点项目，提出了几何量与物理量协同调控的磨料水射流加工复杂曲面过程中材料去除率保持恒定的加工策略，从而实现磨料水射流加工大厚度难加工材料复杂曲面零件，主要研究工作和取得的结论如下所述： （1）为解决大厚度曲面零件加工质量难以控制问题，通过射流加工过程中切缝形状的定量模型，考虑到不同加工参数对冲蚀效果的影响，建立了基于切缝形状服从高斯分布的冲蚀轮廓模型，获得了高压磨料水射流沿加工切缝厚度方向的材料去除演变规律。得到了不同加工参数条件下的磨料水射流极限加工深度模型，分析了加工参数对切缝几何形状和尺寸特征的影响规律。研究结果表明，射流沿材料切缝方向能量衰减导致磨料颗粒沿着切缝壁的斜率发生变化，进而改变切缝几何形状，但对射流切缝宽度的影响较小。在此基础上，进一步采用高斯分布的切缝轮廓，建立了包括加工参数和力学性能的有效加工深度模型，实验验证了模型的有效性，为大厚度零件在较大加工深度条件下具有上下均匀且良好的加工质量提供理论方法和技术支持。 （2）构建磨料水射流加工过程中高速摄影观测实验系统，研究不同加工参数对后拖量影响规律，分析了射流加工过程中射流变形所引起的后拖量对工件加工轮廓精度和形状的影响规律，揭示了不同加工参数对不同厚度难加工材料后拖量的影响机制。考虑到后拖量的抑制有助于提高加工精度，研究采用多次走刀实验方法记录射流偏滞的变化，建立了不同加工参数及加工厚度条件下的后拖量预测模型。研究结果表明：该预测模型能够有效预测不同加工参数及加工厚度条件下的后拖量，并通过分析不同加工参数和加工深度变化趋势，优化加工参数；多次走刀能够提高加工能力、减少表面上部的能量损失，从而改善表面质量的同时减少加工时间。 （3）针对复杂曲面拐角加工过程中的“过切”问题，提出三次B样条曲线对拐角光顺算法。基于满足三次连续条件下，构建磨料水射流加工拐角过程中在工件坐标系下聚焦管插值点和方向向量，在此基础上，允许设定误差条件下进行聚焦管插值点和方向向量的同步。通过调整聚焦管运动学策略，实现在聚焦管位置和方向向量运动约束下平移坐标和旋转角度坐标点、速度和加速度的优化；结合数值模拟和实验分析了三次B样条曲线优化前后方向向量和位置坐标点速度和加速度变化规律，以改善磨料水射流加工过程中速度突变引起材料去除率变化。通过对钛合金Ti-6Al-4V进行实验验证，结果表明了采用三次B样条曲线优化算法，解决了拐角加工过程中“过切”问题，并减少了各个驱动轴的跟踪误差，为磨料水射流加工复杂曲面的拐角光顺提供了有效的解决方案。 （4）研制磨料水射流加工过程中磨料供给精准实时调控装置，提出几何量（传统设备的位移参变量）与物理量（磨料流量供给量）协同调控的磨料水射流加工复杂曲面的加工策略。分析了基于路径规划中A/C角度变化对实际加工深度几何形貌均匀影响规律，在此基础上，从满足控形加工过程中恒定的材料去除率需求出发，采用物理量调控策略，进行补偿控形加工过程中射流能量变化，从而获得磨料水射流加工复杂曲面加工路径和加工参数，验证该加工工艺的有效性，为加工大厚度轮廓形状均匀性提供了理论依据。 综上所述，结合航空某典型整体叶盘开粗加工需求，提出了针对大厚度难加工材料复杂曲面零件的磨料水射流加工工艺流程策略，进行大厚度难加工材料的整体叶盘开粗加工实验验证，成功加工出沿着叶片几何形貌均匀的航空整体叶盘磨料水射流开粗原理样件，为国家重大航空装备关键复杂曲面零件的制造和高效加工技术提供理论方法和技术支撑。 收起