CN103752918B - 一种压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，属于叶片加工技术领域；所述精铣工艺采用双驱框架夹具将粗加工气道型线后的压气机动叶片装夹于前后双驱动结构的数控铣床上，叶片叶根端以叶根端面、叶根进气侧和叶根中间体内平面三面定位，叶根中间体背平面压紧装夹，叶片叶冠端以工艺头进气侧和内平面定位，工艺头背平面压紧装夹，采用螺旋加工方式，完成叶根纵向平台圆弧面、叶根根部圆角R面和气道型线的半精加工和精加工；本发明的压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，精铣加工时把产品的尺寸加工到成品的公差范围内，给抛光工序留接近“0”的极小余量，有效提高叶片气道型线的加工精度，满足产品的高精度要求同时保证加工效率。

Description

一种压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺

技术领域

本发明涉及一种叶片加工工艺，尤其是一种压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，属于叶片加工工艺技术领域。

背景技术

压气机动叶片的气道为变截面型线，约50-350mm的气道长度范围内有多达23个截面，进出气边R从R0.18mm至R0.3mm，气道轮廓度精度为±0.1mm，比其他叶片的气道轮廓度精度高得多，同时气道重心相对叶根中心位置度要求为±0.1mm，气道弯曲允许中间截面相对于两端基准截面每25.4mm变量小于0.08mm，气道与叶根的叶根纵向平台圆弧面（也称相贯面）为一个圆柱面，相贯面相对于叶根端面位置公差为+0.13/-0.38。

叶片气道型线的铣削过程中，按照传统的工艺路线，是在精铣工序的工艺上按照理论设计值加上产品气道位置度与轮廓度范围的基础上给后序抛光工序再留有0.1mm-0.2mm余量，这样虽然在精铣的铣削过程控制上得到了较大的改善，但是它直接给后序抛光带来了各种困难，抛光过程中由于大部分尺寸需要通过手工抛磨，因此传统加工工艺加工出来的压气机动叶片尺寸稳定性与精度很不容易保证。

根据基准统一原则，压气机动叶片的装配、检测基准都应该在叶根的工作面上，而在气道型线精铣加工之前，叶片已完成叶根端的精加工，包括叶根端面、叶根装配面、叶根中间体和叶根侧定位面的精加工，因此气道型线加工的第一基准也应该选择叶根装配面，但由于叶根装配面是两个与叶根中心有夹角的斜面，在装夹工件时必须要有一个比较大的推力作用在叶根端面上才能使工件装夹稳固，这就对夹具的设计结构、制作精度、操作者的装夹技术等都提出了很高的要求，而叶冠端则选择顶尖顶紧顶针孔的方式实现叶冠的定位和装夹，但是压气机动叶片气道厚度很薄，顶紧力太大将会造成叶片在加工过程中随着气道加工到成品（变薄）而变形，顶紧力太小又会造成铣削时工件发颤而挖刀，导致工件报废。

综上所述，用传统装夹方式及加工工艺进行压气机动叶片气道型线加工，加工难度大，加工精度、加工效率和成品率不能很好的满足生产要求。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，通过改变定位和装夹方式，并在精铣加工时把产品的尺寸加工到成品的公差范围内，给后序抛光留极小的接近“0”的余量，以降低叶片加工难度，提高叶片气道型线的加工精度，满足产品的高精度要求的同时保证加工效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，通过以下步骤完成：

（a）装夹：用双驱框架夹具将粗加工气道型线后的压气机动叶片装夹于前后双驱动结构数控铣床的回转轴上，叶片的叶根端以叶根端面、叶根进气侧和叶根中间体内平面三面定位，叶根中间体背平面压紧装夹，叶片的叶冠端以工艺头进气侧和工艺头内平面定位，工艺头背平面压紧装夹；

（b）半精加工：采用螺旋加工方式，依次半精铣叶根纵向平台圆弧面、半精铣叶根根部圆角R面、半精铣气道型线、半精铣叶根根部圆角R面，并控制加工精度，半精铣叶根根部圆角R面时由气道型线至叶根方向加工，半精铣气道型线时由叶冠至叶根方向加工；

（c）精加工：采用螺旋加工方式，依次精铣叶根纵向平台圆弧面、精铣叶根根部圆角R面、精铣气道型线，并控制加工精度使得加工后的尺寸为工艺要求尺寸，精铣叶根根部圆角R面时由气道型线至叶根方向加工，精铣气道型线时由叶冠至叶根方向加工。

所述步骤b和c中，在前后双驱动结构数控铣床的回转轴上对叶片施加浮动装夹力。

所述步骤a采用的经粗加工的压气机动叶片余量为1.5±0.3mm，所述步骤b半精加工后，叶根纵向平台圆弧面的余量为0.1-0.2mm，叶根根部圆角R面的余量为0-0.1mm，气道型线的余量为0.2-0.3mm。

所述步骤c精加工后，加工部位的尺寸位于工艺要求的上公差范围内。

所述步骤b中，半精铣叶根纵向平台圆弧面和叶根根部圆角R面时采用柳叶球头刀，铣刀转速为2800-3000r/min，进给量为2600mm/min，半精铣气道型线时采用牛鼻刀，铣刀转速为2800-3000r/min，进给量为2200-2600mm/min，再次半精铣叶根根部圆角R面时采用整体硬质合金球刀，铣刀转速为3000-3200r/min，进给量为2600mm/min。

所述步骤c中，精铣叶根纵向平台圆弧面和叶根根部圆角R面时采用硬质合金球刀，铣刀转速为3200-3500r/min，进给量为2600mm/min，精铣气道型线时采用牛鼻刀，铣刀转速为3000-3200r/min，进给量为2600-3200mm/min。

一种采用所述压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺生产的压气机动叶片片。

本发明的压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，是通过多次工艺试验后设计出的精铣气道型线“零位切削”的加工方案，这里的“零位切削”的设计理念是：为了保证产品后工序的加工精度、降低加工难度，在进行前工序加工时，把产品的尺寸加工到成品的公差范围内，给后工序（抛光）留极小的接近“0”的余量，以此满足产品的高精度要求；本发明基于上述设计理念，通过采用全新的装夹工艺和定位基准，使得产品在一次装夹后即可完成半精加工和精加工，降低了应为加工中基准转化所述产生的累积误差，精加工后的叶片气道型线仅做表面抛光，而不通过抛光去余量，进而保证了叶片成品的加工精度。本发明采用的“零位切削”加工方案，保证了成品叶片的精度要求，减少了抛光气道型线的难度、提高了加工效率和质量。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、半精加工和精加工中采用双驱框架夹具，对叶片的叶根端以叶根端面、叶根进气侧和叶根中间体内平面三面定位，叶根中间体背平面压紧装夹，叶片的叶冠端以工艺头进气侧和工艺头内平面定位，工艺头背平面压紧装夹，转变了传统的“一顶一夹”装夹理念，为气道型线精铣加工工艺方案奠定了基础，相比于原有的顶针孔定位方式，把工件变为定位面装夹，这样避免了打中心时出现二次积累误差，也便于中途需要调整时便于移动工件，另外这样也增加了定位强度，避免铣削过程中出现振动，减少了工件变形，解决了压气机动叶片装夹不稳定、工件容易变形的难题，提高了压气机动叶片气道加工精度和加工稳定性，也提高了生产效率和产品合格率，这样使得“零位切削”得到了更好的保证。

2、加工时切削方式的改进，方形原材通过粗加工后，本发明在半精加工和精加工中采用螺旋加工和高速切削策略，叶片气道型线整体一次性加工的方案提高了产品的可靠性，减少了分序加工时产生的积累误差，高速切削力小，稳定性比较好，采用大的进给，小的切削量，避免刀具停留在局部时间过长出现共振，选用了比较锋利的切削刀具，有效的避免切削时产生过多的加工应力，另外还采取了叶片薄弱处向强处的加工顺序，中间汽道处采用螺旋切削方式，使得切削力分散在各个轴向方向，避免了由于工件比较薄，同一方向受力过大使工件切削过程产生抖动。

3、机床采用前后双驱动结构，这样避免工件在铣削过程中前后旋转扭曲力不一致，造成加工扭曲变形，给机床一个浮动的装夹力，当加工叶片过程中叶片伸张或收缩的时候机床始终能保持一个平衡力作用，避免了叶片在承受加工内应力的情况下再次受外应力的影响而造成变形。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺的叶片加工面示意图；

图2是本发明的压气机动叶片双驱框架夹具装夹后主视图；

图3是本发明图2的俯视图。

图中标记：1-叶根端面、2-叶根装配面、3-叶根中间体、4-叶根纵向平台圆弧面、5-叶根根部圆角R面、6-气道型线、7-叶冠工艺头、8-机床回转轴Ⅰ、9-机床回转轴Ⅱ、10-双驱框架夹具1部、11-双驱框架夹具2部、12-叶根中间体内平面、13-叶根中间体背平面、14-工艺头内平面、15-工艺头背平面、16-叶根进气侧、17-工艺头进气侧。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明的压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，通过以下步骤完成：(a)装夹：用双驱框架夹具将粗加工气道型线后的压气机动叶片装夹于前后双驱动结构数控铣床的回转轴上，叶片的叶根端以叶根端面1、叶根进气侧16和叶根中间体内平面12三面定位，叶根中间体背平面13压紧装夹，叶片的叶冠端以工艺头进气侧17和工艺头内平面14定位，工艺头背平面15压紧装夹；(b)半精加工：采用螺旋加工方式，依次半精铣叶根纵向平台圆弧面4、半精铣叶根根部圆角R面5、半精铣气道型线6、半精铣叶根根部圆角R面5，并控制加工精度，半精铣叶根根部圆角R面5时由气道型线6至叶根方向加工，半精铣气道型线6时由叶冠至叶根方向加工；(c)精加工：采用螺旋加工方式，依次精铣叶根纵向平台圆弧面4、精铣叶根根部圆角R面5、精铣气道型线6，并控制加工精度使得加工后的尺寸为工艺要求尺寸，精铣叶根根部圆角R面5时由气道型线6至叶根方向加工，精铣气道型线6时由叶冠至叶根方向加工。

实施例

本发明的压气机动叶片加工件，如图1所示，有叶根端和叶冠端的叶冠工艺头7，叶根端至叶冠端的叶冠工艺头7依次为叶根中间体3和气道型线6，叶片的常规加工流程是先完成叶根端的精加工，包括叶根端面1、叶根装配面2、叶根进气侧16和叶根中间体3的精加工，再进行气道型线6粗加工，最后再精铣气道型线6，本发明的压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺是在叶根端精加工和气道型线6粗加工完成以后进行，包括叶根纵向平台圆弧面4、叶根根部圆角R面5和气道型线6的加工，而叶根端精加工和气道型线6的粗加工按照常规工艺进行。

本发明的压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，本实施例采用HAMUELHSTM1000高速五轴叶片铣削加工中心进行加工，采用如下步骤和方法进行：

（a）装夹：用双驱框架夹具（如图2和3所示，包括双驱框架夹具1部10和双驱框架夹具2部11），将气道型线粗加工后余量为1.5±0.3mm的压气机动叶片（如图1所示）装夹于HAMUELHSTM1000前后双驱动结构（如图2和3所示，包括机床回转轴Ⅰ8和机床回转轴Ⅱ9）的五轴叶片铣削加工中心回转轴上，叶片的叶根端以叶根端面1、叶根进气侧16和叶根中间体内平面12三面定位，叶根中间体背平面13压紧装夹，叶根进气侧16相反的端面也采用压板或螺钉进行顶紧，叶片的叶冠端以工艺头进气侧17和工艺头内平面14定位，工艺头背平面15压紧装夹，工艺头进气侧17相反的端面也采用压板或螺钉进行顶紧装夹后示意如图2和3所示。

本发明开创性的采用双驱框架夹具，叶片的叶根端以叶根端面、叶根进气侧和叶根中间体内平面三面定位，叶根中间体背平面压紧装夹，叶片的叶冠端以工艺头进气侧和内平面定位，工艺头背平面压紧装夹，转变了传统的“一顶一夹”装夹理念，为气道型线精铣加工工艺方案奠定了基础，叶片装夹过程中用限力扳手进行装夹螺钉的拧紧，装夹后用0.02mm的塞尺检测定位面是否装夹到位。相比于原有的顶针孔定位方式，把工件变为定位面装夹，这样避免了打中心时出现二次积累误差，也便于中途需要调整时便于移动工件，另外这样也增加了定位强度，避免铣削过程中出现振动，减少了工件变形，解决了压气机动叶片装夹不稳定、工件容易变形的难题，提高了压气机动叶片气道加工精度和加工稳定性，也提高了生产效率和产品合格率，使得本发明的“零位切削”加工理念得到了更好的保证。

装夹过程中由于更换了定位基准（由传统的叶根装配面定位转换为叶根端面、叶根进气侧和叶根中间体内平面三面定位），为了进一步避免积累误差，提高加工的质量，需要在中间体精加工过程中保证叶根中间体的加工精度，保证叶根中间体的厚度公差带应小于叶根中心线和气道型线中心线的位置公差工艺设计要求，以本加工叶片的工艺设计要求为例：工艺要求的叶根中心线和气道型线中心线的位置公差为0.1mm，则中间体相对于内平面的最大允许公差为±0.05mm，因此叶根中间体的厚度公差带应小于0.1mm，而本实施例叶片叶根中间体的厚度公差带的设计值为0.06mm，能够保证加工工艺需求，在实际的叶根精加工中通过LGmazak卧式加工中心加工，设备精度能够达到0.005mm，进一步的将叶根中间体的厚度公差带进行收紧加工至0.04mm，则中间体极限时对中心位置的影响为0.02mm，中间体相对内平面公差为±0.02mm，这样气道中心线相对叶根中心线位置的最大误差为0.04mm，完全满足0.1mm的加工工艺要求，通过上述分析也可以得出如下结论：在基于叶片工艺设计的叶根中间体的厚度公差带为0.06mm的条件下，在叶根中间体的厚度公差带加工符合工艺要求时，本发明的精铣工艺中装夹定位基准转换后，加工成品的气道中心线相对叶根中心线位置也能符合产品工艺要求。

同时，基于叶根端面安装定位后，虽然叶根装配面距叶根端面长度尺寸的公差带完全能满足气道型线及轴向定位槽各部位的要求，可以不做考虑，但是该尺寸将影响叶冠总长加工和检测精度，因此在叶根精加工时保证叶根端面的加工精度，以满足叶根纵向平台圆弧面和气道型线的位置度工艺要求，本实施例叶片加工中，作为理论基准的叶根装配面，其距叶根端面长度尺寸的公差由0/-0.15调整为0/-0.05mm，更好的满足了后序精加工叶顶总长时基准转换造成的累积误差，这样既不会增加叶根的加工难度和加工效率，也为基准的转换提供了更好的保障。

加工设备采用的前后双驱动结构，这样避免工件在铣削过程中前后旋转扭曲力不一致，造成加工扭曲变形；在装夹完成后加工过程中，进一步利用HAMUELHSTM1000的回转轴为叶片在加工中施加浮动装夹力，当加工叶片过程中叶片伸张或收缩的时候机床始终能保持一个平衡力作用，避免了叶片在承受加工内应力的情况下再次受外应力的影响而造成变形，进一步的保证了加工的质量。所述浮动装夹力在本实施例过程中利用SolidWorks软件进行分析：先建立叶片模型，并对叶片的几个定位点及装夹点进行约束锁定，然后对叶片材质进行进行选择，设定载荷给叶片一个轴向外压力设定，分析出叶片的位移状况，模拟计算出叶片形变薄弱位置的临界压力值，初步确定浮动装夹力，最后再将浮动装夹力输入加工设备进行调试和试运行；另外，浮动装夹力也可以采用经验参数估值进行调试设定。

完成叶片装夹后，向加工中心输入加工控制程序代码，开始叶片气道型线的零位切削精铣加工：

（b）半精加工：采用螺旋加工方式，用D20的柳叶球头刀依次半精铣叶根纵向平台圆弧面4和半精铣叶根根部圆角R面5，铣刀转速为2800-3000r/min，进给量为2600mm/min，再用D25R5的牛鼻刀半精铣气道型线6，铣刀转速为2800-3000r/min，进给量为2200-2600mm/min，再次用K12整体硬质合金球刀半精铣叶根根部圆角R面5，铣刀转速为3000-3200r/min，进给量为2600mm/min，半精加工后叶根纵向平台圆弧面4的余量为0.1-0.2mm、叶根根部圆角R面5的余量为0-0.1mm、气道型线6的余量为0.2-0.3mm，其中：在半精铣叶根根部圆角R面5时由气道型线6至叶根方向加工，半精铣气道型线6时由叶冠至叶根方向加工；

（c）精加工：采用螺旋加工方式，采用K8整体硬质合金球刀依次精铣叶根纵向平台圆弧面4和精铣叶根根部圆角R面5，铣刀转速为3200-3500r/min，进给量为2600mm/min，最后采用D16R3牛鼻刀精铣气道型线6，铣刀转速为3000-3200r/min，进给量为2600-3200mm/min，在加工中控制加工精度，使得精加工后的尺寸为叶片工艺要求尺寸，优选的将加工部位的尺寸控制在工艺要求的上公差范围内，以进一步保障抛光工序满足产品成品要求，其中：精铣叶根根部圆角R面5时由气道型线至叶根方向加工，精铣气道型线6时由叶冠至叶根方向加工。

所述螺旋加工方式，是指沿产品径向方向采用螺旋状的刀路切削并向产品的轴向方向进给的一种加工方式，是机加工中常见的切削方式。

在进行加工时，要求精铣气道型线后所有尺寸及形位公差（粗糙度除外）加工在成品公差带的范围内，刀路进给的步距在0.1mm之内，这表面看是增加了本工序加工的难度，但是通过对夹具的合理设计、加工程序切削方式的改进，满足了“零位切削”的加工要求，本发明压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺在加工时切削方式的改进：在半精加工和精加工中采用高速切削策略，叶片气道型线整体一次性加工的方案提高了产品的可靠性，减少了分序加工时产生的积累误差，高速切削力小，稳定性比较好，采用大的进给，小的切削量，避免刀具停留在局部时间过长出现共振，选用了比较锋利的切削刀具，有效的避免切削时产生过多的加工应力，另外还采取了叶片薄弱处向强处的加工顺序，中间汽道处采用螺旋切削方式，使得切削力分散在各个轴向方向，避免了由于工件比较薄，同一方向受力过大使工件切削过程产生抖动。

完成上述压气机动叶片气道型线精铣加工后，最后再通过表面抛光、去工艺头和线切割加工叶片总长端面等工序得到成品叶片。

本发明的压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，在进行精铣工序加工时，把产品的尺寸加工到成品的公差范围内，给后抛光工序留极小的接近“0”的余量，以提高叶片气道型线的加工精度，满足产品的高精度要求的同时保证加工效率，避免了传统加工定位装夹和加工思路所造成的压气机动叶片成品率低，加工效率低等缺点。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，其特征在于：通过以下步骤完成：

（a）装夹：用双驱框架夹具将粗加工气道型线后的压气机动叶片装夹于前后双驱动结构数控铣床的回转轴上，叶片的叶根端以叶根端面、叶根进气侧和叶根中间体内平面三面定位，叶根中间体背平面压紧装夹，叶片的叶冠端以工艺头进气侧和工艺头内平面定位，工艺头背平面压紧装夹；

（b）半精加工：采用螺旋加工方式，依次半精铣叶根纵向平台圆弧面、半精铣叶根根部圆角R面、半精铣气道型线、半精铣叶根根部圆角R面，并控制加工精度，半精铣叶根根部圆角R面时由气道型线至叶根方向加工，半精铣气道型线时由叶冠至叶根方向加工；

（c）精加工：采用螺旋加工方式，依次精铣叶根纵向平台圆弧面、精铣叶根根部圆角R面、精铣气道型线，并控制加工精度使得加工后的尺寸为工艺要求尺寸，精铣叶根根部圆角R面时由气道型线至叶根方向加工，精铣气道型线时由叶冠至叶根方向加工。

2.如权利要求1所述的压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，其特征在于：所述步骤b和c中，在前后双驱动结构数控铣床的回转轴上对叶片施加浮动装夹力。

3.如权利要求1或2所述的压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，其特征在于：所述步骤a采用的经粗加工的压气机动叶片余量为1.5±0.3mm，所述步骤b半精加工后，叶根纵向平台圆弧面的余量为0.1-0.2mm，叶根根部圆角R面的余量为0-0.1mm，气道型线的余量为0.2-0.3mm。

4.如权利要求3所述的压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，其特征在于：所述步骤c精加工后，加工部位的尺寸位于工艺要求的上公差范围内。

5.如权利要求3所述的压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，其特征在于：所述步骤b中，半精铣叶根纵向平台圆弧面和叶根根部圆角R面时采用柳叶球头刀，铣刀转速为2800-3000r/min，进给量为2600mm/min，半精铣气道型线时采用牛鼻刀，铣刀转速为2800-3000r/min，进给量为2200-2600mm/min，再次半精铣叶根根部圆角R面时采用整体硬质合金球刀，铣刀转速为3000-3200r/min，进给量为2600mm/min。

6.如权利要求3所述的压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺，其特征在于：所述步骤c中，精铣叶根纵向平台圆弧面和叶根根部圆角R面时采用硬质合金球刀，铣刀转速为3200-3500r/min，进给量为2600mm/min，精铣气道型线时采用牛鼻刀，铣刀转速为3000-3200r/min，进给量为2600-3200mm/min。

7.一种采用如权利要求1所述压气机动叶片气道型线零位切削精铣工艺生产的压气机动叶片。