航空叶轮的磨料流加工模拟分析及可行性研究.pdf

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1、硕士学位论文 航空叶轮的磨料流加工模拟分析及可行性研究 S i m u l a t i n gA n a l y s i sa n dF e a s i b i l i t yR e s e a r c ho fA e r o i m p e l l e ri n A b r a s i v eF l o wMa c h i n i n g 学2 1 0 0 4 1 7 8 完成日期：2 Q ! 曼二墨二2 大连理工大学 D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本

2、人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：邀望盟笙监监i 迎垒盟堕堑塑塑垡塑窒 作者签名：鲁菇降一吼业年上月上日 大连理工大学硕士学位论文 摘要 表面质量优良的整体叶轮能有效提高发动机效率、推重比及可靠性，但因结构复杂， 加工可达性差，材料难加工，高效光整加工成为其工程应用的瓶颈。针对加工效率和自 动化程度低、理论基

3、础薄弱、尚无适合于航空叶轮加工的磨料等问题，本文提出了适合 整体叶轮高效光整加工的旋转磨料流加工技术方案，配制了磨料流加工磨料，并进行了 相关数值模拟与加工试验研究，主要工作如下： ( 1 ) 针对现有手工抛光航空叶轮表面加工效率低、质量差等问题，创新了航空整 体叶轮零件旋转磨料流高效光整加工技术方案，应用颗粒碰撞与多相流理论，从理论上 分析了磨料流加工过程磨粒的运动和材料去除模型，模拟分析了单叶片流域流场动力学 特性，揭示了磨料介质特性对整体叶轮加工质量的关系，结果表明磨料介质黏度为 l k g m S ，旋转速度为3 0 0 r p m 时，单叶片吸力面与压力面加工流场最为均匀，可有望实

4、现叶轮两面均匀性加工，为新型磨料介质的研制奠定了理论基础。 ( 2 ) 结合仿真分析结果，研制出满足磨料粘弹性且不粘连工件的加工要求的新型 磨料介质，通过研究磨料介质随温度变化规律，阐述了维持磨料介质加工热稳定的必要 性和解决方法，保证了加工过程中磨料介质性能的一致性。 ( 3 ) 应用研制的新型磨料介质对不同初始粗糙度表面进行了加工试验研究，试验 结果验证了理论分析的正确性，为后续进一步开展磨料流加工航空叶轮研究奠定了坚实 的技术基础。 关键词：航空叶轮；表面粗糙度；磨料流；模拟分析；可行性研究； 航空叶轮的磨料流加工模拟分析及可行性研究 S i m u l a t i n gA n a l

5、 y s i sa n dF e a s i b i l i t yR e s e a r c ho fA e r o i m p e l l e ri n A b r a s i v eFl o wM a c h i n i n g A b s t r a c t H i g hq u a l i t yo ft h ei n t e g r a li m p e l l e rs u r f a c eh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nc o m p r e s s e d e f f i c i e n c y t h e r m a l

6、c o n d u c t i v i t ya n dt h r u s tw e i g h tr a t i o H o w e v e r ，t h ei m p e l l e rc h a n n e li S n a r r o w ，t h ec a s c a d e si st h i na n db e n d i n gl a r g e ，a c c e s s i b i l i t yo f t o o li sp o o r ，a n dt h em a t e r i a li s d i 街c u l tt oc u t I t Sh a r dt or e

7、 a l i z et h eo r d e r l y - c o n t r o lo fi m p e l l e rs u r f a c et e x t u r ea n do b t a i n u n i f o r ms u r f a c er o u g h n e s sd u r i n gt h ep r o c e s s I nv i e wo ft h ep r o b l e m ss u c ha st h el o w m a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n d l O Wd e g r e eo fa u t o

8、 m a t i o n ，w e a kt h e o r e t i c a lb a s i s ，a n dn oa b r a s i v e s u i t a b l ef o ra i ri m p e l l e rp r o c e s s i n gp r o b l e m s ，w ed e v e l o p e dan o v e lt e c h n i q u e - R A F M ，a i m i n g t of i n das o l u t i o nf o rt h ei n t e g r a li m p e l l e r s ，c o m

9、p o u n dn e wm e d i u m ，a n a l y s i st h er e l a t e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n ds t u d yp r o c e s s i n gt e s t ，m a i nj o bd e s c r i p t i o ni sa sf o l l o w s ： ( 1 ) T oi m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y 、a u t o m a t i c i t ya n du n i f o r mp r

10、 o c e s sa b i l i t y ，t h e m e c h a n i s mo fm a t e r i a lr e m o v a li nt h ep r o c e s sa n dm a t e r i a lr e m o v a lm o d e lw a sd i s c u s s e d u s i n gt h et h e o r yo fp a r t i c l ec o l l i s i o na n dm u l t i p h a s ef l o wt h e o r yi nt h i sp a p e r ，a n dr o t a

11、 r y a b r a s i v ef l o wm a c h i n i n gt e c h n o l o g ys o l u t i o n sw a sp r o p o s e dt os u i ti n t e g r a li m p e l l e rf i n i s h i n g As i n g l eb l a d ep a s s a g ef l o wd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i cw a sa n a l y z e da n dt h er e l a t i o n s h i p b e t

12、 w e e nc h a r a c t e r i s t i e so fa b r a s i v em e d i u ma n di m p e l l e rs u r f a c em a c h i n i n gq u a l i t yw a s r e v e a l e di nt h i sp a p e r N u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea b r a s i v em e d i u mv i s c o s i t y i s1k e d m S ，r o

13、 t a t i n gs p e e di s3 0 0 r m i n ，p r e s s u r es u r f a c ea n ds u c t i o ns u r f a c ef l o w f i e l di st h e m o s tu n i f o r m c a nb ee x p e c t e dt oa c h i e v eu n i f o r m i t yo ft h eb l a d eo nb o ms i d e sf o rp r oc e s s i n g ， p r o v i d i n gt h e o r e t i c a

14、lb a s i sf o ra b r a s i v ep r e p a r a t i o na n dp r o c e s s i n g ( 2 ) A c c o r d i n gt o t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，f o rt h es u r f a c eo fd i f f e r e n t r o u g h n e s sv a l u e s ，d e f i n i t et h et y p e so fp o l y m e rm a t r i xa n d

15、t h ek i n d so fg r i t sa n dp r o p o r t i o n , t h e na d dt h ed i f f e r e n tc o m p o n e n t so fa d d i t i v et oi m p r o v et h ea b r a s i v em e d i u mp r o c e s s i n g p e r f o r m a n c ea n dm e e ta b r a s i v em e d i u mm a c h i n i n g o fv i s c o e l a s t i ca n dn

16、 o ta d h e s i o no fw o r k p i e c es u r f a c er e q u i r e m e n t s B yr e l a t e de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho na b r a s i v em e d i u mw i t ht h e t e m p e r a t u r ec h a n g et r e n d ，p u t sf o r w a r dt h en e c e s s i t yo fm a i n t a i n i n ga b r a s i v e m e

17、 d i u m p r o c e s s i n gt h e r m a ls t a b i l i t ya n ds o l u t i o nt oa c h i e v et h ep r o c e s so fa b r a s i v ep e r f o r m a n c e c o n s i s t e n c y 。 ( 3 ) A c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f t h er o t a t i n ga b r a s i v ef l o wp r o c e s s i n ga n da n a l y

18、s i s ，u s et h e n e wt y p ea b r a s i v eo nd i f f e r e n ti n i t i a lr o u g h n e s so ft h es u r f a c ep r o c e s s i n ga n de x p e r i m e n t a l I I 大连理工大学硕士学位论文 s t u d y S i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tA F Mm e t h o di na e r o - i m p

19、e l l e rh a sa b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t ，a n di t Se f f e c t i v ea n df e a s i b l e ，c o u l db ef u r t h e rs t u d i e d K e yW o r d s ：a e r o i m p e l l e r ；s u r f a c er o u g h n e s s ；a b r a s i v ef l o wm a c h i n i n g ；s i m u l a t i n g a n a l y s i s

20、 ；f e a s i b i l i t yr e s e a r c h ； 航空叶轮的磨料流加工模拟分析及可行性研究 目录 摘 要一I A b s t r a c t I I l 绪 念1 1 1 课题的提出及研究目的1 1 2 表面质量对叶轮性能的影响及加工难点3 1 3 航空叶轮精密加工研究现状5 1 3 1 手动抛光一6 1 3 2 砂带抛光7 1 3 3 振动抛光一9 1 3 4 电解抛光一9 1 4 磨料流加工技术在叶轮的应用1 0 1 5 课题来源与本文主要工作一1 1 2 磨料流加工仿真模拟分析1 3 2 1 磨料流加工流体力学理论基础1 3 2 2 磨料流加工方法的材料去

21、除方式一1 4 2 2 1 常压高速磨料流加工15 2 2 2 挤压式磨料流加工16 2 3 磨料介质控制方程1 7 2 4 旋转磨料流方案的提出与实施1 9 2 5 单个叶片流域的模拟分析2 0 2 5 1 仿真模型建立及网格划分2 1 2 5 2 边界条件设置2 2 2 5 3 仿真结果分析2 4 2 5 3 1 介质粘性对压力场的影响2 5 2 5 3 2 介质粘性对速度场的影响2 7 2 。5 。3 3 旋转速度对压力场的影响2 9 2 5 3 4 旋转速度对速度场的影响3 2 2 6 本章小结3 3 3 磨料制备及其特性分析3 5 3 1 基本载体的选取原则3 5 大连理工大学硕士学

22、位论文 3 1 1 粘弹性3 6 3 1 2 耐磨性和稳定性3 6 3 2 添加剂的选择3 7 3 3 磨粒的选择3 7 3 4 磨料制作工艺3 8 3 5 磨料特性分析4 0 3 5 1 磨粒浓度对磨料粘性的影响4 1 3 5 2 温度对磨料粘性的影响4 2 3 6 本章小结4 2 4 磨料流加工系统及试验研究4 3 4 1 磨料流加工原理4 3 4 2 影响磨料流加工的工艺因素4 5 4 2 1 磨料流夹具4 5 4 2 。2 磨料流加工用磨料4 5 4 2 3 磨料流中加工压力4 6 4 2 4 磨料流循环次数与温度4 6 4 3 磨料流实验加工系统的构建4 7 4 4 常压高速磨料流加

23、工动力学特性及试验研究4 8 4 4 1 简化叶轮分析圆弧段4 8 4 4 2 仿真结果讨论5 0 4 ，4 - 3 试验结果分析5 0 4 5 挤压磨料流加工工艺试验51 4 5 1 磨料流加工实验机床5 1 4 5 2 磨料流加工夹具5 3 4 5 2 试验结果分析5 3 4 6 本章小结5 5 结 论5 6 参考文献5 8 攻读硕士学位期间发表学术论文情况6 2 致谢6 3 大连理工大学学位论文版权使用授权书6 4 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的提出及研究目的 先进的航空能力是体现一个国家科技水平、军事能力和综合国力水平的重要标志之 一【1 1 ，航空发动机是飞机的心

24、脏，一代发动机决定一代飞机的水平，如图1 1 所示，随 着航空科技的迅速发展，面对不断提高的国防建设需求，大推重比发动机是未来的发展 方向。 j j _ 删 辖 推重比10 1 5 一级芳：动机预研【作开始 | 衫 ， ， F 1 0 0 - P W -2 2 9 A F 1 I1 0 - P W - 2 0 0 V 、 ；T ， 瑚懈E l 。卵。 ： 参 ，彩 F 1 0 0 P W -i o oV - - I 矗 j囊皆7 K 、 1 8 2 甲乃 R M l 2 | R B M X 9 舻1 l 529； T F 3 0 P - 3 M 5 3 - P 2 II 1 0 0 1 0 0

25、 1 9 6 01 9 7 01 9 8 01 9 9 02 0 0 0 年份 图1 1国外各年代飞机发动机推重比变化趋势2 】 F i g1 1 T r e n do fa i r c r a f te n g i n e sa b r o a di nd i f f e r e n te r a s 在先进航空发动机中，越来越多采用整体构件，如压气机整体叶轮、整体叶环及整 体叶盘等。美国的先进战术战机( A d v a n c e dT a c t i c a lF i g h t e r ，简称A T F ) 计划就把整体 叶盘设计加工技术列为核心；美国国防部于1 9 世纪9 0 年代年

26、开始的高性能涡轮发动机 技术研究计划( I n t e g r a t e dH i 曲P e r f o r m a n c eT u r b i n eE n g i n eT e c h n o l o g y ，简称I H P T E T ) 中提出：截至到2 0 2 0 年，战斗机上所有发动机的涡轮都将采用整体结构；欧洲先进核 航空叶轮的磨料流加工模拟分析及可行性研究 心军用发动机( A d v a n c e dM i l i t a r yE n g i n eT e c h n o l o g y ，简称A M E T ) 计划也将发动机结 构设计的整体化作为发展方向【3 1

27、。 整体叶轮( 环) 型面表面质量对发动机压气机效率具有重要的影响。航空发动机整 体叶轮( 环) 将叶片和轮盘设计为一体，是航空发动机压气机实现结构创新的核心部件， 是服役于极端环境条件下的关键航空零部件，不仅要达到工作要求，还要满足极端工况 下的高使役性能要求。 整体叶轮是相对非集成的叶轮而言的，整体叶轮将叶片和底座做成一个整体，代替 通常叶片与轮盘以键槽相连，再加锁片的连接形式，大大缩减了零件数量和整体重量。 整体叶轮的用途多种多样，其结构形式和叶片构造也不相同，常见的分类如图1 2 所示。 在航空发动机中，根据结构形式分，整体叶轮可分为开式、半开式和闭式三类，按照工 质流动的方向，又可以

28、划分为轴流式、径流式。 a ) 轴流开式整体叶轮b ) 带冠轴流闭式整体叶轮c ) 闭式径流式整体叶轮d ) 半开径流式整体叶轮 图1 2 整体叶轮分类 F i g1 2 D i f f e r e n tk i n d so fi n t e g r a li m p e l l e r 之所以整体构件在航空航天发动机中应用越来越多，是因为采用整体构件设计，可 以省去大量用于连接的零件和结构，从而可以减轻发动机的重量，提高整体刚度和整体 刚性，从而整体提高发动机效率、推重比和工作的可靠性。F 4 1 4 发动机采用5 级整体 叶轮后，零件数量减少了4 8 4 件，质量减轻2 0 4 1 k

29、g ，推重比由其原型F 4 0 4 发动机的 7 4 提高到9 t 4 1 。英国R R 公司采用整体结构后，与通常的叶片、底座分离结构相比，质 量减轻到原来的一半，同时还可以避免锁片松动、叶片磨损、微观裂纹等意外故障，大 大提高了发动机的工作寿命和安全性1 5 J ；在第四代新型战机中，大量采用整体构件和新 型材料，使得其比第三代发动机，零件寿命约增加1 5 0 ，零件数目减少约4 0 0 旷6 0 ， 推重比约增加2 0 。综上，整体构件在航空、航天的发动机中得到越来越多的应用。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 表面质量对叶轮性能的影晌及加工难点 在我国，整体叶轮在航空发动机的应用在逐渐

30、增加，在航空发动机、制导武器，甚 至在军舰、坦克发动机上逐渐采用整体构件，以减小体积，减轻重量，满足武器装备的 小型化、轻量化、工作可靠性更高、使用寿命更长的需求；在新型发动机研制中，采用 了整体T C 4 、T C l 7 等航空材料的整体叶轮、叶盘、涡轮都是整体构件在我国应用成功 的实例。 这些零件最后精加工质量的好坏对发动机压气效率、推重比、热导率和稳定运转时 间等性能指标具有重要的影响，不合理的表面形貌偏差加之运行磨损甚至可能诱发高回 转零件的失谐问题，产生可怕后果。叶轮流道表面的微观形貌与其热导率、压气效率等 性能指标直接相关，其影响机理在于通过创成出具有特定形状、尺寸和分布规律的微

31、观 形貌和表面纹理，改变流体的流动结构，进而影响到近壁流体的输运特性( 传热、传力 和传质) 。若整体叶轮的叶片抛光时无法做到对其表面微观形貌的定量控制，表面出现 形状偏差、微观形貌粗糙、纹理杂乱，导致处于运行状态的高速叶轮在受到非定常压力 场及不平衡的激励时，其受迫振动响应对叶轮特性的这种非谐调微小变化非常敏感，使 运行磨损加剧、甚至诱发失谐，产生循环疲劳失效，造成灾难性后果，所以说叶轮加工 质量的优劣对发动机的性能有着决定性的影响。 提高叶轮的加工质量，是提高发动机整体性能的关键。在加工制造业中，精密零件 的精加工是费时费力而又最难控制的部分，通常加工成本高达总生产成本的1 5 蚶6 ，7

32、 1 。 为了提高发动机的推力和效率，需要提高叶轮工作温度，则叶轮需要采用耐热温度更高、 强度更高的合金材料；此外，还需要改进叶片几何造型设计，弯扭度越来越大，形状越 来越复杂，由此导致叶片的加工制造难度也越来越大。不仅需要保证每个叶片的加工精 度，而且需要保证全加工过程的稳定性和可靠性，比单个叶片加工至少要提高小数点后 几个9 ，假设加工单个叶片的合格率为9 9 ，废品率只有1 ，这在叶片生产中已经是 高可靠性了。然而，按最大概率计算，用这样的可靠性加工具有3 0 个叶片构成的整体 叶轮，叶轮加工的合格率只有7 4 ，废品率高达2 6 ，这在实际生产中已经很高了，如 果需要保证该叶轮加工的废

33、品率小于1 ，其单叶片的加工合格率需要9 9 9 6 6 ( 废品 率为3 4 1 0 q ) ，的确是万无一失。如果一个整体叶轮有8 0 个叶片，则要求更高。这就 是整体叶轮、整体构件加工制造的另一个大难题，因为构件上分布有几十个、甚至上百 个构形复杂的型面、型腔，要求其中一个确保万无一失的加工合格，唯有如此才能保证 整体构件加工具有较高的合格率。 为了保证最低的能量损失，叶片的表面粗糙度必须低于一定的数值。针对这一问题， 美德英等欧盟各国曾先后独立或联合开展相关重大研究计划，取得了一系列富有开拓性 航空叶轮的磨料流加工模拟分析及可行性研究 的成果。美国早在上个世纪8 0 年代，就已开始表面

34、粗糙度对航空叶片叶轮气动和热力 性能的影响研究，并取得了大量的第一手资料，指出在抛光叶轮时，单纯的砂带粒度指 标并不能很好的表征表面微观形貌，需要对表面粗糙度特征的尺寸、间隔、波纹度、三 维微肋、沟槽及其脉络走向等诸多参数加以考虑，分析其多尺度协同作用的机理，才能 对表面功能密切相关的表面纹理结构进行综合评定。 航空压缩机的叶片表面质量对其能量转换也有着重要的影响，表面粗糙度对压气机 吸入的气体流量也密切相关，图1 3 所示为不同入口流量下，光滑表面与粗糙表面的压 气比变化曲线。在相同入I ：1 流量下，光滑表面的压气比相比于粗糙表面要大，这种变化 趋势在速度较低时不明显，随发动机运转速度增大

35、，两者差距越来越明显。 2 2 2 O 1 8 E 山 L 丑1 6 旷 崮 1 4 1 2 1 0 b 誓参考叶片 秒 X 光滑处理叶片 夕禽k 口粗糙处理叶片 ，1。u b x 设计速 ， ， ， 度， ， ，鹕k ， 潞 ， ，一， 只) v 。 ，一， 稍峨。 氏 V 1 麓 6 0 p 0 1 41 61 8 流量( k g s ) 图1 3相对吸入体积流量随表面相对粗糙度的变化曲线8 】 F i g1 3 T h ec u r v eo fr e l a t i v es u c t i o nv o l u m ef l o wa l o n gw i t ht h er e l

36、 a t i v er o u g h n e s so f t h ev a n es u r f a c e 基于这些功能需求，零件表面必须设计、加工成特定的形貌以满足预期的应用。最 新的研究结果表明：具有渐变表面粗糙度和有规律的纹理的叶片具有更好的气动性能。 然而，由于叶轮流道狭窄、叶栅薄且弯曲程度大，极易发生碰撞干涉，在强几何约束下 工具可接近性差，很难实现加工过程对叶轮表面结构纹理的有序控制并获得渐变的表面 粗糙度，对制造技术提出了新的挑战。 大连理工大学硕士学位论文 航空发动机压气机整体叶轮表面的微观形貌和粗糙度与其热导率、压气效率等性能 指标直接相关。叶片表面粗糙度对压气效率和相

37、对吸入体积流量有较大影响，在表面创 成出具有特定形状、尺寸和分布规律的微观形貌和表面纹理，改变流体的流动特性，提 高近壁面流体的输运特性( 如传热、传力和传质等) ，从而影响发动机的整体性能，鉴 于整体叶轮复杂的曲面形状和狭窄的三维扭曲流道空间，航空整体叶轮表面加工仍属国 际性难题，整体叶轮的加工工艺特点突出表现在以下几点： ( 1 ) 材料难加工，去除量大 航空发动机叶轮通常采用耐高温的金属如钛合金、高温合金等难加工材料，材料的 热硬度和热强度很高，加剧了刀具的磨损，降低了工件表面粗糙度和完整性! 为了增加 零件的强度和运行安全性，据上所述，叶轮通常采用整体结构，只能留下1 0 的材料， 其

38、余的都要去除掉，去除量很大，这就给提高航空叶轮的表面质量和完整性带来了难题。 ( 2 ) 结构扭曲、复杂，加工可达性差 为了在减轻重量的同时增加工作效率，航空叶轮采用整体式、质量轻的结构，这对 加工工艺以及加工装备提出了更严格的标准，整体叶轮需要加工的部分通常是以复杂的 型面围绕而构成的深窄、弯扭的异形型腔，精度要求高，加工可达性差，测量难；对于 直铣刀、锥铣刀，甚至直柄球头铣刀，无论怎么设计刀具轨迹，都不可能，或者很艰难 复杂的避免干涉、过切，更不用提能够均匀加工或者可控去除抛光了。 ( 3 ) 加工精度高 航空叶轮表面的加工精度直接影响其压气比、推重比、传热传质和可靠性等，因此 叶轮需要高

39、的加工精度，而叶轮加工的复杂性与其加工精度制造之间形成了对立的关 系，我国目前还不具备加工高精度复杂曲面的能力，技术力量不足造成了我国发动机零 部件产品均匀性差、合格率低等问题，成为研制高使役性能和高可靠性航空发动机的一 个瓶颈。 ( 4 ) 薄壁结构，或构件厚薄不均匀，就整体叶轮而言，最薄处仅有2 m m ，如果加 工中切削力过大，则会造成工件变形甚至破坏，且容易变形；, D i m 过程中切削力小的话 会造成加工效率低，因此薄壁结构是一个易变形难加工的零件特征。 以上加工难点，限制了整体构件设计在机械产品中的应用，这就需要我们研究者开 发一种或者几种组合式的加工方法来完成叶轮精密抛光的目的

40、。 1 3 航空叶轮精密加工研究现状 提高制造精度之后不仅可以提高产品的性能和质量，还可以提高其稳定性和可靠 性。美国俄亥俄州立大学航空工程系的B o n s 教授【9 , 1 0 综述了近3 0 年有关表面粗糙度及 航空叶轮的磨料流加工模拟分析及可行性研究 结构纹理对涡轮机性能影响等方面的研究进展，指出在功能表面形貌表征和多尺度建模 方面还有很多研究工作需要开展，以期实现表面微观形貌对作用其上的压力分布、摩擦 分布和热流分布影响的预测。F r a n k 等 11 , 1 2 】人通过对比实验分析了表面粗糙度对涡轮机 叶片的空气动力学的影响，得到了雷诺系数与表面粗糙的之间的关系，通过对比发现

41、最 大粗糙度相对于光滑表面将会造成多达4 0 的能量损失。 目前，美国N A S A 涡轮喷气实验室已初步掌握压气机叶栅的气流分离规律和粗糙度 效应，并能控制和利用分离流来提升部件的性能。英国R R 公司等权威机构的研究数据 表明：发动机转子叶片的加工精度若由6 0 9 m 提高到1 2 9 m ，表面粗糙度就会由R a 0 5 9 m 减小到R a 0 2 9 m ，发动机的压缩效率将会从8 9 提升到9 4 ；如果加工达不到这么高的 精度，在通常情况下，叶片的表面粗糙度值若能从R a 3 1 9 m 降低至R a 0 6 1 a m ，则发动机 的压缩效率提高3 个百分比，如果叶片表面的粗

42、糙度值降为目前值的十分之一，则叶片 的传热效率将会提高1 倒1 3 。6 | 。 国内发动机制造企业急需整体叶轮( 环) 复杂型面低粗糙度高效加工技术。国内中 航工业黎明发动机公司对航空发动机整体叶轮( 环) 的加工主要采用电火花切割，然后 利用砂带磨削抛光，其表面粗糙度一般能够达到R a 3 2 9 m ，优化参数后能达到R a l 6 p m ， 采用手工抛光工艺可以达到R a 0 8 9 m ，费时费力且表面纹理杂乱无章，横向抛光产生的 横向抛光痕迹会降低产品疲劳寿命，发生叶片瞬间断裂故障。我国引进磨料流加工技术， 并应用于航空发动机叶轮的型面抛光，刘向东等【1 7 】在某型压缩机研制中

43、，采用磨粒流工 艺进行了前置扩压器叶片型面抛光，均匀的去除叶片熔融层，提高了零件的抗疲劳性能。 但是，由于起步晚，磨料流工艺缺乏更深入的研究，对磨料流加工中的关键技术还需要 不断完善。发动机叶轮的最终精加工表面质量和微观形貌缺陷，造成发动机气动驱动性 能差，是导致国产发动机的推重比相对国外同类型先进发动机要低3 0 的一个重要原 因。同时，由于缺乏加工过程性能质量波动预测与调控策略，我国至今仍无法确保同一 叶轮各个叶片加工性能质量的均匀性和同批叶轮加工质量的一致性，成为影响国产航空 发动机性能一个关键技术问题。 1 3 1 手动抛光 国内的手工抛光的叶片表面粗糙度R a l 6 - 0 8 1

44、 Jm ，纹理紊乱，且加工效率低。手动 光整加工的目的是在修正叶片表面形状精度同时，去除在表面残留的刀花纹理，提高叶 片表面的光洁度。如图1 4 所示。叶片表面手工研磨抛光加工不仅耗时费力，难以保证 加工后的形状和表面精度，且手工抛光完全取决于操作工人师傅的工艺水平，加工质量 不稳定。 大连理工大学硕士学位论文图1 4 手工抛光F i g1 4A r t i f i c i a lp o l i s h i n g1 3 2 砂带抛光砂带磨削是一种弹性磨削，兼有磨削、研磨和抛光三重作用，) b n - r 叶片型面能够很好地满足要求。国外对叶片砂带抛光技术也进行了相关实验研究，如英国的D A A x i n t e针对航空发动机所用的耐高温钛合金材料进行了多种抛光方法试验，证明砂带磨削可以用来抛光复杂曲面零部件，而且通过试验改变加工条件( 砂带类型，磨削速度，进给速度方向，切深，冷却液类