核主泵葉輪多軸數控加工工藝規劃與最佳化方法研究

《核主泵葉輪多軸數控加工工藝規劃與最佳化方法研究》是依託上海交通大學，由羅磊擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：核主泵葉輪多軸數控加工工藝規劃與最佳化方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：羅磊
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

葉輪是核主泵的核心部件，是實現主泵國產化的難點之一。在核輻照、高溫、高壓的極端工況下，核泵葉輪需要安全、可靠、長壽命的工作。核泵葉輪的製造不僅要採用最優的刀具路徑來生成符合形狀要求的葉輪曲面，還需研究通過最佳化加工工藝參數提高葉輪表面機械物理性能、水力特性等性能要素的方法。針對核主泵葉輪製造中加工工藝最佳化問題，通過理論分析、數值仿真和試驗研究的方法，分析核泵葉輪的輪廓精度要求與切削力的關係，建立表面機械物理性能與抗應力腐蝕裂紋之間的關聯方程，確立表面形貌對水力特性的影響因素；通過加工參數的多目標最佳化，減小葉輪加工中不期望的振動和回響誤差，以提高葉輪的表面質量；通過計算預測加工路徑中的切削力的變化並結合工具機伺服參數的調整，研究由複雜曲面生成高效、高精度刀具軌跡的方法，達到提高葉輪曲面加工精度與加工效率並最終實現改善葉輪表面機械物理性能、水力特性等性能要素的目標。

結題摘要

葉輪加工是實現核主泵國產製造里的難點之一。在核輻照、高溫、高壓、應力腐蝕的極端工況下，核泵葉輪需要安全、可靠地工作。 針對核主泵葉輪製造中加工工藝最佳化問題，課題組從加工參數的多目標最佳化方法研究入手，研究了球頭刀五軸精銑削切屑厚度與變時滯參數建模方法、五軸銑削動力學建模與銑削表面動態仿真方法、基於變時滯特性的五軸精銑削動力學穩定性預報方法以及面向動力學穩定性的銑削工藝最佳化方法等內容。課題圍繞球頭刀自由曲面數控五軸銑削中顫振預報與切削表面質量控制，建立了複雜型面銑削的名義切屑厚度模型，獲得了刀刃經過名義切屑前後表面的非均一時間間隔（即變時滯參數）；建立了具有非線性、變時滯特徵的球頭刀五軸精銑削動力學模型，實現了對切厚再生波紋效應的準確描述；提出了基於變時滯特徵的銑削動力學穩定性判據，形成了自由曲面五軸銑削加工的無顫振工藝最佳化準則。 課題研究圍繞核泵葉輪複雜曲面五軸銑削加工為對象，研究由複雜曲面生成高效、高精度刀具軌跡的方法。針對葉片五軸數控銑削加工中的刀具軌跡轉向頻繁的問題，提出了一種基於空間填充曲線法的雙螺旋填充曲線。為了減少加工過程中的衝擊，提出用圓角代替直角進行過渡的方法對雙螺旋填充曲線進行最佳化。結合自由曲面的形成過程，提出將平面填充曲線通過與曲面參數相對應的方法映射到曲面上，進而生成加工刀具路徑的思想並驗證了該軌跡生成方法的可行性。課題還建立了包含直線加減速與正弦加減速的小線段速度運動模型，研究了基於多加工拐點速度控制的小線段高速前瞻控制方法。設計出一種新的高速數控加工小線段前瞻平滑控制疊代算法。 課題建立加工走刀軌跡與應力腐蝕裂紋之間的關聯。研究了不同刀具軌跡與核主泵不鏽鋼葉輪表面裂紋關聯關係的實驗方法並分析了刀具軌跡對於葉輪表面裂紋生成的影響。採用有限雲仿真與實驗結合的方法對銑削過程中走刀軌跡對不鏽鋼材料工件表面完整性的影響進行分析。建立起三維熱-力耦合立銑模型，得到不同銑削走刀軌跡條件下工件加工表面殘餘應力與塑性應變的分布。設計了相應的銑削加工實驗，選定的走刀軌跡和切削參數與有限元仿真一致，並對實驗加工得到的表面進行表面形貌、表面硬度和表面粗糙度的測量分析。 課題採用有限元軟體建立了基於實際工況下核主泵葉輪流場模型，針對葉片所受壓力分布、流線分布以及葉片表面在流場中交變應力作用下微裂紋生長擴展建模進行研究。為葉輪表面形貌與水力特性之間關係研究奠定基礎。