《闭式整体叶盘多轴联动数控电火花加工技术与装备》

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该项目所属学科:特种加工工艺、航天器制造工艺、特种加工机床。

叶盘类零件是航天、航空发动机的核心关键部件。采用先进的闭式整体结构可从根本上提升发动机的服役性能和工作可靠性。但这种半封闭的复杂几何特征及高温合金的难切削特性给制造技术带来了巨大挑战。为解决狭长、弯扭流道的可加工性难题,国外均优选具有五轴及以上联动功能的数控电火花加工技术方案。然而该技术方案要在我国有效实施,必须先解决一系列技术难题。如:缺乏从复杂形面工具电极设计到多轴联动轨迹搜索,再到加工代码生成的一整套加工专用方法;没有闭式叶盘电火花加工专用高效工艺;没有自主研发的5~6轴联动电火花加工数控系统及机床,该类装备全部依赖特殊渠道进口等。“复杂流道做不出”、“批量生产跟不上”、“关键装备没保障”曾经是严重的瓶颈问题。

针对上述问题,项目团队历经十余年持续攻关,突破了一系列核心关键技术,构建了闭式整体叶盘多轴联动数控电火花加工先进技术体系,取得了如下发明:

技术发明1:闭式整体叶盘多轴联动数控电火花加工专用方法。发明了分体工具电极设计方法、“共轭法”及其广义化的“最大自由行程法”工具电极进给轨迹搜索算法,开发了国际首套闭式整体叶盘六轴联动电火花加工专用CAD/CAM软件包。从根本上解决了狭长、弯扭复杂流道闭式整体叶盘的可加工性问题。

技术发明2:闭式整体叶盘多轴联动数控电火花加工高效工艺。发明了旨在大幅度提高闭式整体叶盘多轴联动数控电火花加工效率的多种高效工艺方法,包括多电极加工、多轴摄动进给、多轴摇动修光和分级加工策略等,在确保加工质量的前提下使加工效率成倍提升,保障了航天航空发动机关键部件的批产能力。

技术发明3:5~6轴联动电火花加工数控系统与机床。发明了广义单位弧长增量插补原理与算法,实现了工具电极空间曲线进给轨迹与位姿的六轴联动直接插补,研制的5~6轴联动电火花加工数控系统及机床获得应用;发明了浸液式数控转台等多轴联动电火花加工机床所必需的关键功能部件,确保了闭式整体叶盘加工装备的完全自主可控。6轴联动功能使更复杂叶盘流道加工成为可能。

该项目获授权发明专利16项,登记软件著作权4项,发表论文37篇。发明成果应用于航天、航空、机械和能源4个行业8家企业30余种闭式整体叶盘类零件的制造;近三年新增销售额2.0946亿元,新增利润2038.79万元,节约资金3525万元。典型应用包括:西安航天发动机公司多个型号液体火箭发动机闭式整体叶盘类零件的综合加工效率提高300%,保障了高密度航天发射任务的顺利完成;航天31所加工出闭式整体泵叶轮及喷嘴环,使冲压发动机性能改善,可靠性显著提高;GE公司应用该项目专用软件包和群电极加工技术,使LEAP-1C发动机OGV零件加工效率提高50%;沈鼓集团加工出亚洲最大规格激冷气压缩机三元闭式叶轮,打破了能源装备核心部件的国外技术垄断。

该项目构建了我国闭式整体叶盘完整自主可控的先进制造体系,对提升我国航天航空发动机制造能力,确保国家战略产品制造安全性具有重要的意义。

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