CN101966604A - 一种整体叶盘流道复合加工的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机技术领域，公开了一种整体叶盘流道复合加工的方法，该方法基于区域特征选择适应性加工策略的数控加工方法，具体步骤包括：(1)加工区域划分；(2)基于区域特征选择适应性数控加工策略。该方法采用摆线铣削、钻铣和插铣复合的粗开槽数控加工方法，利用中弧面逼近叶型曲面，进而确定通道粗加工区域的边界轮廓和最佳刀轴矢量。本发明的有益效果是：分区域、变切深的加工方法，增强了叶片刚性和加工稳定性；摆线铣、插铣复合的工艺方法，提高了刀具的耐用度和材料去除率；有效地避免了粗加工过程中的振动现象、降低了切削力和最大限度地拓展了刀具运动空间，提高了加工效率。

Description

一种整体叶盘流道复合加工的方法

技术领域

本发明属于航空发动机技术领域，是一种基于区域特征选择适应性加工策略的数控加工方法，可用于整体叶盘、叶轮类等工业产品加工，特别涉及一种整体叶盘流道复合加工的方法。

背景技术

整体叶盘类零件从锻造毛坯到最终零件的加工成形，需要去除大量的多余材料。整体叶盘流道区域由空间自由曲面构成，且流道区域容刀空间狭窄、叶片刚性差，以往整体叶盘采用了满刀刃槽铣加工的常规方法，刀具磨损严重，加工条件差，铣削深度(Ap)最多不能超过铣刀直径的一半，由于整体叶盘类零件流道区域结构复杂，刀轴变化剧烈，不得不采用多轴联动的加工方式，加工过程不宜控制。

发明内容

针对整体叶盘流道加工现有技术的问题，本发明提供一种整体叶盘流道复合加工的方法。本发明方法基于叶盘流道的区域特征选择适应性的数控加工策略，采用摆线铣削、钻铣和插铣复合的粗开槽数控加工方法，刀具由现有技术的轴向满刃切削改变为切向变厚度切削、端面铣加工改变为侧铣加工(切削抗力仅为满刃切削的一半左右)，利用中弧面逼近叶型曲面，进而确定通道粗加工区域的边界轮廓和最佳刀轴矢量，通过连接刀心轨迹线和刀轴驱动线上的对应点，规划插铣、钻铣和摆线铣削刀具轨迹。

摆线铣削加工方式是一种具有高的材料去除率的加工整体叶盘流道区域封闭型腔的粗加工方法，与传统铣削加工方法相比，铣加工刀具会沿着叶片之间的流道走圆形轨迹。随着流道区域叶片之间的宽度的变化，圆形轨迹的直径也在不断调整，相应的铣削力和铣削量也在随时间调整和变化，该加工方式成为一种带有精加工的封闭型腔粗加工方法。摆线铣削刀具始终为侧刃铣削，充分利用了侧刃铣削切削抗力较小的优点。

中弧面插铣刀具轨迹设计是在刀具矢量控制方向确定的基础上，为消除相邻叶片的干涉现象，尽量保证均匀地去除材料，设计了中弧面驱动的新工艺，通过构造相邻叶片之间的中弧面，保证插铣刀具轨迹在俯视图上看是一条直线，通过该直线驱动生成了一个简洁、优化的三轴、四轴插铣加工程序。

相对槽铣方式，摆线铣削刀具较小，刀具悬伸不宜过长，为提高刀具的刚性，刀具悬伸长度一般不超过刀具直径的5-6倍，摆线铣削深度随之确定，超出摆线铣削深度部分则采用中弧面插铣工艺方法。

本发明基于整体叶盘流道区域的结构特点，结合摆线铣削、钻铣、插铣的特点，全面利用流道区域的几何特征信息，来划分加工区域，选择数控加工策略，制定加工工艺。

具体加工方法包括加工区域划分、基于区域特征选择适应性数控加工策略两个基本步骤：

步骤一：加工区域划分：

叶盘流道区域是指由轮毂面、叶片的叶背与相邻叶片的叶盆组成的半封闭区域。根据流道区域的结构特点，如图1所示，划分为3个区域：左侧三角区域、右侧三角区域和中间流道区域。左、右侧三角区域属于半开敞性区域，受流道型面之间的约束较小，加工刀具的空间运动范围相对较大，左、右侧三角区域确定后剩下的叶盘流道区域自动形成中间流道区域，中间流道区域又划分为内半部流道区域和外半部流道区域，具体确定方法和工艺参数如下：

1.刀具直径D＝叶型间距×系数(1.5～2.5)。

2.叶型安全距离＝加工余量+安全裕度(0.2～0.3mm)。

3.叶型安全间隙：根据加工余量确定，大于或等于加工余量。

4.确定三角区域：如图1所示，利用CAD模型，在垂直投影面上，

(1)确定相邻叶片的叶背和叶盆的最边缘投影轮廓线；

(2)根据粗开流道加工余量，对最边缘轮廓线区域进行偏置1～1.5mm；

(3)建立两相邻叶片间的中分面，在中分面基础上建立中分直纹面，确定中分直纹面的投影线；

(4)以中分直纹面投影线上的一点为圆心，以刀具直径D为直径，在垂直投影面上画圆弧，使圆弧分别与叶片的叶背和相邻叶片的叶盘的投影轮廓线相切，由此形成的圆弧区域即为三角区域在垂直投影面上的投影区域。

5.确定中间流道区域：左、右侧三角区域之外的剩下的叶片流道区域为中间流道区域，中间流道区域又分成内半部区域和外半部区域。

步骤二：基于区域特征选择适应性数控加工策略和加工步骤：

1.三角区域加工：

(1)区域特征分析

加工的主要目的是最大限度地去除材料，因此，本发明开发的基于区域特征选择适应性数控加工策略要在保证叶型形状的同时，提高加工效率。由于粗加工和精加工的目的不同，因此，本发明在不同区域中采取的加工策略也不相同。该区域属半开放空间，与叶型干涉范围小，刀具运动空间较大，宜采用大直径刀具加工去除此处材料。

(2)选取工艺参数

1)刀具直径：刀具直径D＝叶型间距X系数(1.5～2.5)，刀具直径D计算出后要取整数，小数点后的数值舍去。

2)刀轴矢量方向：如图2所示，中分直纹面的母线矢量方向即为刀轴矢量方向，即刀轴控制运动方向。

3)加工步距≤D/6。

4)切削深度(从叶尖到叶根)＝叶片长度-加工余量X1.5。

5)加工方式：固定轴钻、插铣方式。

2.中间流道外半部区域加工

(1)区域特征分析

加工的主要目的是降低切削力，并高效率地去除该区域材料，本发明在该区域中采取了有效降低切削力，并高效去除材料的摆线加工策略。中间区域属半封闭空间，刀具运动空间较小，与叶型极易发生干涉，宜采用小直径刀具加工去除此处材料。

(2)选取工艺参数

1)刀轴矢量方向

既要保证加工中刀具具有最大容刀空间，又能最大限度地去除叶片间流道材料而不与叶片发生干涉。如图2所示，中分直纹面上的母线矢量方向既是刀轴矢量方向，即刀轴控制运动方向。

2)刀具直径D

根据叶型间距控制最大切削宽度的原则，刀具直径的大小应保证摆动有足够的空间。刀具直径D＝切削宽度-摆宽，刀具在槽间摆宽要大于2mm，否则由于材料在切削中的变形，排屑不畅，刀具受到挤压而断裂。圆形的刀刃可以避免粗加工工具微崩刃，造成刀具快速磨损报废。但若刀具圆角过大，切削时刀具底部阻力大，也易引起刀具折断。

3)加工深度≤3D。

4)切削宽度＝叶型最小间距-2×加工余量。

5)步距＝摆宽。

6)加工方式：固定轴摆线铣削方式。

3.中间流道内半部区域加工

(1)区域特征分析

相对而言，该区域的加工条件最差，刀具悬伸较长，刚性较弱，刀具与流道叶型之间的空间最为狭小，刀具运动空间极为有限。本发明基于了根据区域特征选择适应性加工策略的原则，为解决以上问题，该区域选择了插铣加工策略，这主要在于相同直径刀具插铣时的刀具刚性最好，并能够高效率地去除该区域材料。中间区域属半封闭空间，刀具运动空间较小，与叶型极易发生干涉，刀具的大小选择受到了很大限制。

(2)选取工艺参数

1)刀轴矢量方向

由于该区域叶片严重扭曲，且叶片分布较密，限制了刀柄的运动范围，故求刀轴方向矢量的区域范围最为关键。为了更好地确定刀轴方向的区域范围，发明了中弧面定义刀轴矢量的方法。

由于此处切削范围深，需从上到下全叶型面考虑干涉情况，中分直纹面上的母线矢量方向就是刀轴矢量方向，即刀轴控制运动方向，如图2所示。

在整体叶盘流道区域的数控加工过程中，刀轴方向起至关重要的作用，既要防止刀具的刀头和刀杆与零件发生干涉，又要让刀具伸入零件内部最短，以保证刀具具有足够的刚性。

2)刀具悬深长度

完全精确的求出刀具伸入零件内部最短时的刀轴方向在大多数情况下是不必要的，最重要的是要求出在整个整体叶盘的加工过程中刀具伸入零件内部的最大长度，并尽可能的使最大长度缩短。

3)刀具直径D＝叶型最小间距-2*加工余量-扭转间隙(0.5～1.5mm)。

4)步距＝刀具直径D/6。

5)加工深度＝(1～1.3)D。

6)加工方式：固定轴插铣方式，为减少刀具切削承载量，提高刀具耐用度，采用两排刀轨交错插铣加工。

本发明一种整体叶盘流道复合加工的方法的有益效果：与常规单一加工方式相比，分区域、变切深的工艺方法，增强了叶片刚性和加工稳定性，加工效率提高30％以上；与常规单一加工方式相比，摆线铣、插铣复合的工艺方法，刀具耐用度提高了3倍以上，材料去除率提高2倍以上；有效地避免了粗加工过程中的振动现象、降低了切削力和最大限度地拓展了刀具运动空间，提高了加工效率50％以上。

附图说明

图1为加工区域划分示意图

图2为流道刀轴矢量方向示意图

图3为压气机整体叶盘相邻叶片结构示意图

图4为图3的F向视图

图中1左侧三角区域投影2右侧三角区域投影3中间流道区域投影4直纹面的投影线5中分直纹面6中分直纹面母线7叶型最小间距8叶片宽度9叶片长度

具体实施方式

如图3和图4所示，加工一个压气机整体叶盘，整体叶盘由轮盘和叶片组成，材料为钛合金，叶片长度＝60mm，叶片宽度＝50mm，叶型最小间距＝10mm，最小加工余量1mm。

根据本发明一种整体叶盘流道复合加工的方法，具体加工步骤如下：

步骤一：加工区域划分：

1.刀具直径D＝10×2＝20mm。

2.叶型安全距离＝1+0.2＝1.2mm。

3.叶型安全间隙＝1mm。

4.确定三角区域：如图1所示，利用CAD模型，在垂直投影面上，

(1)确定相邻叶片的叶背和叶盆的最边缘投影轮廓线；

(2)考虑粗开流道加工余量，对最边缘轮廓线区域进行偏置1mm；

(3)建立两相邻叶片间的中分面，在中分面基础上建立一个最近似于它的中分直纹面5，确定中分直纹面5的投影线；

(4)以中分直纹面5投影线上的一点为圆心，以20mm为直径，在垂直投影面上画圆弧，使圆弧分别与相邻叶片的叶背和叶盘的投影轮廓线相切，由此形成的圆弧区域即为三角区域在垂直投影面上的投影区域。

5.确定中间流道区域3：左侧三角区域1和右侧三角区域2之外的剩下的叶片流道区域为中间流道区域3，中间流道区域3又分成中间流道内半部区域和中间流道外半部区域。

步骤二：基于区域特征选择适应性数控加工策略：

1.三角区域加工

(1)切削参数

1)刀具直径D＝10×2＝20mm。

2)刀轴矢量方向：如图2所示，中分直纹面5的母线矢量方向6即为刀轴矢量方向。

3)加工步距＝3mm。

4)切削深度＝58.5mm。

5)加工方式：固定轴钻、插铣方式。

2.中间流道内半部区域加工

(1)工艺参数

1)刀轴矢量方向

如图2所示，中分直纹面5上的母线矢量方向6既是刀轴矢量方向。

2)刀具直径：切削宽度为8mm，摆宽为2mm，因此刀具直径D＝6mm。

3)加工深度＝18mm。

4)切削宽度＝8mm。

5)步距＝2mm。

6)加工方式：固定轴摆线铣削方式。

3.中间流道外半部区域加工

(1)工艺参数

1)刀轴矢量方向

如图2所示，中分直纹面5上的母线矢量方向6既是刀轴矢量方向，即刀轴控制运动方向。

2)刀具悬深长度＝65.83mm。

3)刀具直径D＝7mm。

4)步距＝1.1mm。

5)加工深度＝8mm。

6)加工方式：固定轴插铣方式，采用两排刀轨交错插铣加工。

通过上述方法的加工，较大地去除了压气机整体叶盘的叶型间的应去除材料，降低了加工中刀具的切削力，减少了刀具的磨损，拓展了刀具运动空间，提高了加工效率。

Claims (1)

1.一种整体叶盘流道复合加工的方法，其特征在于基于整体叶盘流道的区域特征选择适应性的数控加工策略，具体加工方法包括加工区域划分、基于区域特征选择适应性数控加工策略两个基本步骤：

步骤一：加工区域划分

叶盘流道区域是指由轮毂面、叶片的叶背与相邻叶片的叶盆组成的半封闭区域，根据叶盘流道区域的结构特点，划分为三个区域：左侧三角区域、右侧三角区域和中间流道区域，中间流道区域又划分为内半部区域和外半部区域，具体确定方法和工艺参数如下；

(1)刀具直径D＝叶型间距×系数，系数为1.5～2.5；

(2)叶型安全距离＝加工余量+安全裕度，安全裕度为0.2～0.3mm；

(3)叶型安全间隙：根据加工余量确定，大于或等于加工余量；

(4)确定三角区域：利用CAD模型，在垂直投影面上，

1)确定相邻叶片的叶背和叶盆的最边缘投影轮廓线；

2)根据粗开流道加工余量，对最边缘轮廓线区域进行偏置1～1.5mm；

3)建立两相邻叶片间的中分面，在中分面基础上建立中分直纹面，确定中分直纹面的投影线；

4)以中分直纹面投影线上的一点为圆心，以刀具直径D为直径，在垂直投影面上画圆弧，使圆弧分别与叶片的叶背和相邻叶片的叶盘的投影轮廓线相切，由此形成的圆弧区域即为三角区域在垂直投影面上的投影区域；

(5)确定中间流道区域：左、右侧三角区域之外的剩下的叶片流道区域为中间流道区域，中间流道区域又分成内半部区域和外半部区域；

步骤二：基于区域特征选择适应性数控加工策略：

(1)三角区域加工

选取工艺参数如下：

1)刀具直径D＝叶型间距X系数，系数为1.5～2.5，刀具直径D计算出后要取整数，小数点后的数值舍去；

2)刀轴矢量方向：利用CAD模型建立两叶片间的中分面，在中分面基础上建立中分直纹面，中分直纹面的母线矢量方向即为刀轴矢量方向，即刀轴控制运动方向；

3)加工步距≤D/6；

4)切削深度＝叶片长度-加工余量；

5)加工方式：固定轴钻、插铣方式；

(2)中间流道外半部区域加工

选取工艺参数如下：

1)刀轴矢量方向：中分直纹面上的母线矢量方向既是刀轴矢量方向，即刀轴控制运动方向；

2)刀具直径D＝切削宽度-摆宽，摆宽要大于2mm；

3)加工深度≤3D；

4)切削宽度＝叶型间距-2×加工余量；

5)步距＝摆宽；

6)加工方式：固定轴摆线铣削方式；

(3)中间流道内半部区域加工

选取工艺参数如下：

1)刀轴矢量方向：中分直纹面上的母线矢量方向就是刀轴矢量方向，即刀轴控制运动方向；

2)刀具悬深长度＝

3)刀具直径D＝叶型最小间距-2*加工余量-扭转间隙，扭转间隙为0.5～1.5mm；

4)步距＝刀具直径D/6；

5)加工深度＝(1～1.3)D；

6)加工方式：固定轴插铣方式，采用两排刀轨交错插铣加工。

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