CN103084639A - 一种基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法；从薄壁叶片精加工前调节毛坯工艺刚度的角度出发，按照该方法进行铣削加工能有效控制薄壁叶片机加工变形，减小加工误差；由于叶片在铣削力的作用下产生的变形主要在叶片的法向方向,通过分析叶片各点在施加相同切削力下的变形量，研究、找出叶片在铣削条件下的各点刚度，以及整个叶片的刚度变化趋势，在此基础上对叶片精加工余量分布方法进行优化，减少薄壁叶片精加工过程中的切削变形。本发明从加工切削力优化和工件刚度优化两个方面提高其切削过程的稳定性,解决了薄壁叶片数控铣削精加工刚度不足引起的变形问题。

Description

一种基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法

技术领域

本发明涉及一种基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法，属航空发动机叶片制造与精密切削加工领域。

背景技术

叶片是航空发动机的核心零件，也是一种典型的薄壁类零件，其制造水平直接影响着航空发动机的气动性能。随着气动设计技术、结构技术和材料技术的不断发展，航空发动机叶片出现了弯、扭、薄、掠、轻的结构特点，同时也给其制造精度提出了更高的要求。

在实际的铣削加工过程中，由于受到切削力、切削热和金属金相撕裂的共同作用，叶片会产生加工变形，导致加工后的叶片精度和轮廓度较差。目前，国内薄壁叶片制造精加工工艺是数控半精加工与手工打磨精加工；主要是因为叶片属于薄壁曲面零件，加工变形难以控制，为避免出现废品，必须留有足够的余量补偿数控加工引起的变形，最后依靠人工操作进行抛光，用“边打磨、边检验”的方法将叶片留有的余量逐步去除掉。但由于手工打磨过程无冷却液，靠样板控制叶片截面形状，故加工效率低、劳动强度大，表面精度低、波纹度大，易烧伤、质量不稳定，无法满足薄壁叶片对壁厚和叶型精度控制的要求。

同时，在工程实践中，为了消除加工变形对薄壁叶片数控加工精度的不利影响，常通过采用一些工艺措施来减小叶片的加工变形，从而保证加工精度达到设计要求。目前主要采取的手段有:优化数控切削参数以减小切削力，例如，沿着刀具的切削路径，局部调整主轴转速和进给速度等切削参数，使得切削力的大小不超过极限值，可以避免弹性让刀变形引起的超差现象；通过改进和优化装夹方案以增加零件的刚性，例如，采用叶片专用夹具或采用辅助支撑的手段；这些措施可以减小叶片的加工变形和加工误差，但这就必然要增加很多额外的工序，而且这些工艺措施主要是以定性分析和实际加工经验为基础的，缺乏定量分析和操作规范，不仅零件的精度和质量难以保证，而且严重影响了加工效率。

加工变形是影响薄壁叶片数控加工效率、精度和表面质量的关键因素。针对现有的薄壁叶片加工工艺存在的不足，很有必要对现有的加工工艺方法进行优化和改进。从而寻找一种新的叶片加工变形，实现对薄壁叶片加工变形的有效控制，大幅提高加工精度和效率，以满足相关技术领域对改进和完善薄壁、超薄叶片精密铣削加工技术的迫切需求。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，克服薄壁件数控铣削精加工刚度不足引起的变形问题,本发明提出一种基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法。

本发明从薄壁叶片精加工前调节毛坯工艺刚度的角度出发，按照该方法进行铣削加工能有效控制薄壁叶片机加工变形，减小加工误差；由于叶片在铣削力的作用下产生的变形主要在叶片的法向方向；通过分析叶片各点在施加相同切削力下的变形量，研究找出叶片在铣削条件下的各点刚度，以及整个叶片的刚度变化趋势，在此基础上对叶片精加工余量分布方法进行优化，减少薄壁叶片精加工过程中的切削变形。

本发明基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法，其特点是包括以下步骤:

步骤1.采用有限元分析法对薄壁叶片进行变形分析，分别在薄壁叶片的叶背和叶盆上选取u×v节点,定义沿叶片轴向为U向，沿叶片截面线方向为V向，u×v个节点在U,V方向等参数分布，在各节点上施加一定的切削力，获得薄壁件在该切削力下各点的变形情况；

步骤2.根据各节点变形量与切削力和切削深度之间基本呈线性关系，构造以薄壁件变形量为自变量的线性函数来计算切削余量；由于切削变形量较小，定义变形量放大系数α,使变形量δ用来对薄壁件进行余量λ构造，以提高工件刚度，定义如下:

λ=K+αδ  (1)

其中K为常数；

步骤3.根据薄壁叶片实际加工情况，在对应的最小变形量δ_min的第u_m截面线第v_n节点确定最大精加余量λ_max，对应最大变形量δ_max的第u_g截面线的第v_h节点确定最小精加工余量λ_min；根据方程组两组解(δ_min,λ_max)、(δ_max,λ_min)确定系数K,α，并计算出u×v个节点对应的余量值；

步骤4.将得到切削余量分别加载到各个载荷结点上，得到这些结点精加工非均匀余量值；

步骤5.沿薄壁件轴向方向每一个截面线上一组余量分布参数点，作为控制点，构造三次样条曲线L₁、L₂、L₃…L_u，光顺后即可作为薄壁件在这一截面高度精加工余量轮廓线；

步骤6.将得到的曲线通过扫掠方法构成面，得到由非均匀余量方法构造的精加工前叶片曲面。

有益效果

本发明一种基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法,从薄壁叶片精加工前调节毛坯工艺刚度的角度出发，按照该方法进行铣削加工能有效控制薄壁叶片机加工变形，减小加工误差；由于叶片在铣削力的作用下产生的变形主要在叶片的法向方向,通过分析叶片各点在施加相同切削力下的变形量，研究、找出叶片在铣削条件下的各点刚度，以及整个叶片的刚度变化趋势，在此基础上对叶片精加工余量分布方法进行优化，减少薄壁叶片精加工过程中的切削变形。本发明从加工切削力优化和工件刚度优化两个方面提高了切削过程的稳定性,解决了薄壁叶片数控铣削精加工刚度不足引起的变形问题。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法作进一步详细说明。

图1为薄壁叶片结构示意图。

图2为施加力节点在叶片上分布示意图。

图3为非均匀余量设计薄壁件沿轴向叶片某截面示意图。

图4为均匀余量设计薄壁件沿轴向叶片某截面示意图。

图中:

1.榫根  2.橼板  3.叶背型面  4.排气边  5.叶盆型面  6.进气边

具体实施方式

本实施例是一种基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法。

参阅图1、图2、图3、图4,本发明基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法,是从薄壁叶片精加工前调节毛坯工艺刚度的角度出发，按照该方法对叶片精加工余量分布方法进行优化,减少薄壁叶片精加工过程中的切削变形,减小加工误差。

在薄壁叶片铣削加工中，由于切削力主要由切削深度、切削宽度、每齿进给量诸因素决定，在其它条件不变的情况下，精加工余量小的地方，切削深度就小，由此产生的切削力也小。如果按照传统的均匀余量的方法进行薄壁叶片精加工余量分布，则在切削相同余量产生相近切削力的情况下，叶片刚性薄弱部位的加工变形和振动较大，叶片的加工精度和表面质量较差，当振动加剧时甚至使该部位在加工中丧失精度，加工表面严重恶化；而在刚性较强部位，其加工变形和振动很小，叶片加工精度和表面质量能够得到保障。在这种余量分布方法下，整个叶片切削加工过程中的不同部位加工状况变化较大，叶片的精度和表面质量相差悬殊。因此，在叶片几何条件、设计参数不受影响的前提下，采用精加工非均匀余量分布的方法，一方面通过适当减小刚度较差部位的精加工余量、增加刚度较好部位的精加工余量，来减少叶片加工中切削力引起的加工变形；另一方面这种余量分布方法在根部和中间部位余量较大，在尖部和边缘部位余量较小，使得叶片加工过程中的支承部位厚度加强，起到了刚性增强的作用，从加工切削力优化和工件刚性优化两个方面提高了切削过程的稳定性。

下面针对叶片材料为航空钛合金TC4,叶片尺寸为:303mm×115mm×1.8mm的某型航空发动机的薄壁叶片为例,具体步骤如下:

第1步，将叶片模型导入到有限元分析软件ABAQUS当中进行变形分析，以薄壁叶片的叶背为例，按照uv方向等参数分布设置45个节点（u=5,v=9），如图2所示，分别在节点上施加一定的切削力，获得薄壁件在该切削力下各节点的弹性变形情况，如表1所示(表1各个节点弹性变形量)。

第2步，以计算变形量为依据，按照变形大的地方余量小、变形小的地方余量大的原则进行余量分布，即λ=K+αδ；按照u=1,v=1点变形量0.0911mm对应最小的精加余量0.2mm，u=5,v=5点的变形量0.0000mm应最大的精加余量0.4mm的方法，求解方程组得到K=0.4，α=-2.2082489，从而得到余量与变形量的函数关系λ=0.4-2.2082489δ。

第3步，根据步骤2余量与变形量函数关系式可得到符合实际加工的叶背每一点的加工余量,如表2所示(表2各节点加工余量设计)。

第4步，将得到的切削余量分别加载到u×v=45个结点上，得到这些结点的精加工非均匀余量值；将每行的9个点作为一组参数点，构造三次样条曲线。

第5步，按照上述同样方法构造薄壁叶片的叶盆曲面余量截面三次样条；分别将得到叶背、叶盆余量截面曲线进行光顺并扫掠成面，即得到由非均匀余量方法构造的精加工前的薄壁叶片余量曲面，如图3所示。

表1各个节点弹性变形量

表2各节点加工余量设计

本发明基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法,通过分析叶片各点在施加相同切削力下的变形量，研究、找出叶片在铣削条件下的各点刚度，以及整个叶片的刚度变化趋势；在此基础上从加工切削力优化和工件刚度优化方面提高其切削过程的稳定性,实现对薄壁叶片精加工过程中的切削变形的有效控制，大幅提高加工精度和效率，以满足相关技术领域对改进和完善薄壁、超薄叶片精密铣削加工技术的迫切需求。

Claims (1)

1.一种基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.采用有限元分析法对薄壁叶片进行变形分析，分别在薄壁叶片的叶背和叶盆上选取u×v节点,定义沿叶片轴向为U向，沿叶片截面线方向为V向，u×v个节点在U,V方向等参数分布，在各节点上施加一定的切削力，获得薄壁件在该切削力下各点的变形情况；

步骤2.根据各节点变形量与切削力和切削深度之间基本呈线性关系，构造以薄壁件变形量为自变量的线性函数来计算切削余量；由于切削变形量较小，定义变形量放大系数α,使变形量δ用来对薄壁件进行余量λ构造，以提高工件刚度，定义如下：

λ=K+αδ(1)

其中K为常数；

步骤3.根据薄壁叶片实际加工情况，在对应的最小变形量δ_min的第u_m截面线第v_n节点确定最大精加余量λ_max，对应最大变形量δ_max的第u_g截面线的第v_h节点确定最小精加工余量λ_min；根据方程组两组解(δ_min,λ_max)、(δ_max,λ_min)确定系数K,α，并计算出u×v个节点对应的余量值；

步骤4.将得到切削余量分别加载到各个载荷结点上，得到这些结点精加工非均匀余量值；

步骤5.沿薄壁件轴向方向每一个截面线上一组余量分布参数点，作为控制点，构造三次样条曲线L₁、L₂、L₃…L_u，光顺后即可作为薄壁件在这一截面高度精加工余量轮廓线；

步骤6.将得到的曲线通过扫掠方法构成面，得到由非均匀余量方法构造的精加工前叶片曲面。

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