CN108405941B - 航空发动机叶片叶身型面高效精密铣削加工方法 - Google Patents

航空发动机叶片叶身型面高效精密铣削加工方法 Download PDF

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Abstract

一种航空发动机叶片叶身型面高效精密铣削加工方法，其特征在于，通过在重构得到的毛坯型面三维模型上绘制出绘制出等步长的粗铣刀轨，并采用基于恒定切削载荷的自适应变进给加工方法计算刀具在各刀位点上的粗铣进给率，以变进给方式粗铣叶身型面；然后在刚度三维模型上绘制出等步长的精铣刀轨，并采用基于型面法向恒定弹性变形的自适应变进给方法计算出刀具在精铣刀轨各刀位点上的精铣进给率，以变进给方式精铣叶身型面。本发明显著提高了叶片叶身型面粗铣和精铣加工效率，对批量加工产品的提效效果尤其显著；有效避免弱刚性叶片的加工让刀，提高了加工表面质量。

Description

航空发动机叶片叶身型面高效精密铣削加工方法
技术领域
本发明涉及的是一种飞机制造领域的技术，具体是一种航空发动机叶片叶身型面高效精密铣削加工方法。
背景技术
航空发动机叶片叶身型面通常为自由曲面，叶身很薄，尤其进出气边等弱刚性区域，切削加工过程中极易发生颤振，同时叶片的尺寸精度、表面粗糙度要求很高，因此属于典型的难加工结构件。由于航空发动机叶片长期处于高温和高频载荷下工作，服役环境异常恶劣，通常选用钛合金作为叶片材料，因其具有弹性模量低、导热性差、化学活性高、强度高、加工硬化现象严重等特点，是业内公认的难加工材料。
某型航空发动机叶片的结构如图1所示，该叶片的毛坯为模锻叶片，国内加工其叶身型面的做法通常为，首先采用可转位式盘铣刀按恒定进给速率沿密绕于叶身的较大步距的刀轨进行粗铣，再用整体式硬质合金铣刀按恒定进给速率沿密绕于叶身的较小步距的刀轨进行精铣。在叶身型面的粗铣工步中，由于叶片毛坯为模锻件，受叶身扭曲结构的影响，模锻叶片叶身型面上的余量很难保证均匀，从而使粗铣刀具在以恒定进给率走刀时受载变化大，致使刀具寿命低，粗铣效率低下。而对于型面精铣工步，由于前道的粗铣工步去除了大量的叶身型面余量，致使叶身变薄，叶片刚性变差。叶片自身固有的变截面扭曲结构特点使其型面不同位置处的刚性差异很大，当刀具按恒定进给速率精铣叶身型面时，刀具在弱刚性区因相对进给较大而易出现加工让刀，在强刚性区又因相对进给较小而影响了加工效率。
发明内容
本发明针对现有技术在模锻叶片叶身型面粗铣环节因表面余量不均而使刀具在以恒定进给率走刀时出现受载变化大、以及由此产生的刀具寿命低、粗铣效率低下的问题，和在叶身型面精铣环节因扭曲叶身型面在不同位置处刚度差异较大而使刀具在以恒定进给率走刀时存在叶身弱刚性区易发生让刀、强刚性区走刀效率低的问题，提出一种航空发动机叶片叶身型面高效精密铣削加工方法，显著提高了叶片叶身型面粗铣和精铣加工效率，对批量加工产品的提效效果尤其显著；有效避免弱刚性叶片的加工让刀，提高了加工表面质量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种航空发动机叶片叶身型面高效精密铣削加工方法，通过对模锻叶片重构得到的毛坯型面三维模型上绘制出等步长的粗铣刀轨，并采用基于恒定切削载荷的自适应变进给加工方法计算刀具在各刀位点上的粗铣进给率，以变进给方式粗铣叶身型面；之后，在三维模型上绘制出等步长的精铣刀轨，并采用基于型面法向恒定弹性变形的自适应变进给方法计算出刀具在精铣刀轨各刀位点上的走刀进给率，以变进给方式精铣叶身型面。
本发明涉及一种实现上述方法的***，包括：五轴机床数控***、型面模型生成模块、粗铣进给率生成模块、刚度模型生成模块、精铣进给率生成模块，其中：型面模型生成模块与激光三坐标测量机相连并传输叶身三维模型信息，粗铣进给率生成模块与叶身三维模型相连并传输叶身型面粗铣进给率信息，刚度模型生成模块与叶身三维模型相连并传输叶身型面的刚度分布信息，精铣进给率生成模块与叶身型面刚度场相连并传输叶身型面精铣进给率信息。
附图说明
图1为现有航空发动机叶片的结构示意图；
图中：叶根1、叶身2；
图2为本发明流程图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例通过在重构得到的毛坯型面三维模型上绘制出绘制出等步长的粗铣刀轨，并采用基于恒定切削载荷的自适应变进给加工方法计算刀具在各刀位点上的粗铣进给率，以变进给方式粗铣叶身型面；然后在刚度三维模型上绘制出等步长的精铣刀轨，并采用基于型面法向恒定弹性变形的自适应变进给方法计算出刀具在精铣刀轨各刀位点上的精铣进给率，以变进给方式精铣叶身型面。
所述的重构是指：采用激光三坐标测量机测量获取叶片模锻毛坯的型面点云的三坐标数据，并重构得到精确的毛坯型面三维模型。
所述的重构，采用但不限于3Dreshaper软件重构出精确的毛坯型面三维模型。
所述的粗铣刀轨，通过沿毛坯型面三维模型的型面法向放量精铣余量值，即获得粗铣刀轨包络面，再按设定步距绘制得到。
所述的粗铣进给率，通过对毛坯型面三维模型与粗铣刀轨包络面作差，求出粗铣刀轨上各刀位点的实际余量，然后采用基于恒定切削载荷的自适应变进给加工方法计算得到刀具在各刀位点上的粗铣进给率。
所述的基于恒定切削载荷的自适应变进给加工方法是指：在切削步距不变条件下，切削力Fz＝c×ap×fy，其中：c、y分别是与被加工材料和加工工艺***有关的常数，ap是指刀具的切削深度，f是指刀具的进给速度；变形得到
Figure BDA0001585211020000021
即当切削载荷Fz保持不变时，随着切削深度ap的变化，刀具的进给速度f也发生变化，当切削深度ap增大时，刀具进给速度则随之降低；当切削深度ap减小时，刀具进给速度则随之提高。
由于在粗铣刀轨各刀位点上的实际余量是不同的，因此刀具在粗铣叶身型面过程中，为保持切削载荷Fz恒定不变，刀具的进给速度f会根据各刀位点的实际余量而进行实时自适应调整，即根据进给速度计算过程，得出各刀位点上的粗铣进给率，并通过对编程得到的粗铣程序的数控代码进行修改，依次判断出各刀位点的代码段位置并将进给率信息对应写入，从而最终得到各刀位点粗铣进给率优化后的数控程序。
所述的编程，采用但不限于C语言实现。
所述的以变进给方式粗铣叶身型面是指：将模锻叶片毛坯通过叶根和叶冠部装夹于五轴机床的旋转轴上，将采用基于恒定切削载荷的自适应变进给加工方法处理的上述数控程序输入到五轴机床数控***中，进而实现变进给方式粗铣叶身型面。
所述的粗铣刀轨包络面，优选采用UG软件在其型面法向放量出精铣余量，即可获得粗铣刀轨的包络面。
所述的实际余量，优选采用UG软件对将毛坯型面三维模型和粗铣刀轨包络面同时导入到UG软件中并使二者的坐标原点重合，之后在粗铣刀轨各刀位点处沿型面法向同粗铣毛坯型面进行作差，求出对应于粗铣刀轨各刀位点的实际余量。
所述的刚度三维模型，采用动力学测试***测量并获得粗铣后的叶片叶身型面各个位置处沿法向的刚度数据，并重构得到刚度三维模型。
所述的动力学测试***包括力锤、单向加速度计、数据采集卡以及动力学分析模块，通过在待测点处的背面设置单向加速度计作为响应端，使用力锤作为激励端快速敲击待测点，敲击产生的激励端信号与响应端信号被采集卡收集并输入到动力学分析模块中，通过对激励端信号与响应端信号进行分析，即可得出待测点的刚度数据。
所述的基于型面法向恒定弹性变形的自适应变进给方法是指：在叶身型面上随机均匀选取n个点，其中第i点处沿型面法向的刚度值为Ki，刀具在该点处的进给速度为fi，在该点处沿型面法向的切削分力为Fi，则该点位置因受切削分力而在型面法向发生的弹性变形量xi＝Fi/Ki。由于叶身特有的复杂扭曲结构使得其型面不同位置处的刚度K差别很大，为了保证叶身型面不同位置处因受切削分力F而在型面法向发生的弹性变形量x相同，要求切削分力F可随刀具在精铣叶身型面时的位置变化而正比变化于对应位置处的刚度K。为满足这一要求，在其他切削工艺参数不变情况下，只需对刀具在叶身型面不同位置处的进给速度f进行实时自适应调整，即根据弹性变形量计算过程，计算得出各刀位点上的精铣进给率，并通过编程得到的精铣程序的数控代码进行修改，依次判断出各刀位点的代码段位置并将进给率信息对应写入，从而最终得到各刀位点精铣进给率优化后的数控程序。
所述的编程，采用但不限于C语言实现。
所述的以变进给方式精铣叶身型面是指：将采用基于型面法向恒定弹性变形的自适应变进给方法处理的上述数控程序输入到五轴机床数控***中，在粗铣后的叶片叶身型面基础上实施变进给方式精铣叶身型面。
实施例公开的本方法相较于传统的恒定进给率粗精加工方式，能够使叶身型面粗铣效率提升20％以上，使叶身型面精铣效率提升15％以上。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种航空发动机叶片叶身型面高效精密铣削加工方法，其特征在于，通过在重构得到的毛坯型面三维模型上绘制出等步长的粗铣刀轨，并采用基于恒定切削载荷的自适应变进给加工方法计算刀具在各刀位点上的粗铣进给率，以变进给方式粗铣叶身型面；然后在刚度三维模型上绘制出等步长的精铣刀轨，并采用基于型面法向恒定弹性变形的自适应变进给方法计算出刀具在精铣刀轨各刀位点上的精铣进给率，以变进给方式精铣叶身型面；
所述的基于恒定切削载荷的自适应变进给加工方法是指：在切削步距不变条件下，常用的计算切削载荷Fz＝c×ap×fy，其中：c、y分别是与被加工材料和加工工艺***有关的常数，ap是指刀具的切削深度，f是指刀具的进给速度；变形得到
Figure FDA0002272886350000011
即当切削载荷Fz保持不变时，随着切削深度ap的变化，刀具的进给速度f也发生变化，当切削深度ap增大时，刀具进给速度则随之降低；当切削深度ap减小时，刀具进给速度则随之提高；刀具在粗铣叶身型面过程中，为保持切削载荷Fz恒定不变，刀具的进给速度f会根据各刀位点的实际余量而进行实时自适应调整，即根据进给速度计算过程，得出各刀位点上的粗铣进给率，并通过对编程得到的粗铣程序的数控代码进行修改，依次判断出各刀位点的代码段位置并将进给率信息对应写入，从而最终得到各刀位点粗铣进给率优化后的数控程序；
所述的基于型面法向恒定弹性变形的自适应变进给方法是指：在叶身型面上随机均匀选取n个点，其中第i点处沿型面法向的刚度值为Ki，刀具在该点处的进给速度为fi，在该点处沿型面法向的切削分力为Fi，则该点位置因受切削分力而在型面法向发生的弹性变形量xi＝Fi/Ki，为了保证叶身型面不同位置处因受切削分力F而在型面法向发生的弹性变形量x相同，要求切削分力F可随刀具在精铣叶身型面时的位置变化而正比变化于对应位置处的刚度K，为满足这一要求，在其他切削工艺参数不变情况下，只需对刀具在叶身型面不同位置处的进给速度f进行实时自适应调整，即根据弹性变形量计算过程，计算得出各刀位点上的精铣进给率，并通过编程得到的精铣程序的数控代码进行修改，依次判断出各刀位点的代码段位置并将进给率信息对应写入，从而最终得到各刀位点精铣进给率优化后的数控程序。
2.根据权利要求1所述的航空发动机叶片叶身型面高效精密铣削加工方法，其特征是，所述的重构是指：采用激光三坐标测量机测量获取叶片模锻毛坯的型面点云的三坐标数据，并重构得到精确的毛坯型面三维模型。
3.根据权利要求1所述的航空发动机叶片叶身型面高效精密铣削加工方法，其特征是，所述的以变进给方式粗铣叶身型面是指：将模锻叶片毛坯通过叶根和叶冠部装夹于五轴机床的旋转轴上，将采用基于恒定切削载荷的自适应变进给加工方法处理的数控程序输入到五轴机床数控***中，进而实现变进给方式粗铣叶身型面。
4.根据权利要求1所述的航空发动机叶片叶身型面高效精密铣削加工方法，其特征是，所述的刚度三维模型，采用动力学测试***测量并获得粗铣后的叶片叶身型面各个位置处沿法向的刚度数据，并重构得到刚度三维模型。
5.根据权利要求1所述的航空发动机叶片叶身型面高效精密铣削加工方法，其特征是，所述的以变进给方式精铣叶身型面是指：将采用基于型面法向恒定弹性变形的自适应变进给方法处理的数控程序输入到五轴机床数控***中，在粗铣后的叶片叶身型面基础上实施变进给方式精铣叶身型面。
6.一种实现上述任一权利要求所述航空发动机叶片叶身型面高效精密铣削加工方法的***，其特征在于，包括：五轴机床数控***、型面模型生成模块、粗铣进给率生成模块、刚度模型生成模块、精铣进给率生成模块，其中：型面模型生成模块与激光三坐标测量机相连并传输叶身三维模型信息，粗铣进给率生成模块与叶身三维模型相连并传输叶身型面粗铣进给率信息，刚度模型生成模块与叶身三维模型相连并传输叶身型面的刚度分布信息，精铣进给率生成模块与叶身型面刚度场相连并传输叶身型面精铣进给率信息。
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