CN114871481B - 一种整体叶环五轴数控铣削方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种整体叶环五轴数控铣削方法，属于整体叶环加工技术领域，包括：以中间位置为界限分为排气端上流道区域、排气端下流道区域、进气端上流道区域和进气端下流道区域；设计各个区域的层铣刀轨；将排气端上流道区域的层铣刀轨和排气端下流道区域的层铣刀轨按一定比例组合，以开槽区域中间位置为下刀点，刀具呈负角，先向上流道方向铣削一层，再向下流道方向铣削一层，如此往复，完成排气端开槽铣削；将进气端上流道区域的层铣刀轨和进气端下流道区域的层铣刀轨按一定比例组合，并与排气端开槽铣削步骤相同，完成进气端开槽铣削。叶型表面余量均匀，无需多次选取刀轴矢量铣削。
Description
技术领域
本申请涉及整体叶环加工技术领域，尤其涉及一种整体叶环五轴数控铣削方法。
背景技术
整体叶环是先进航空发动机采用的新型整体结构关键零件，是航空发动机的重要构件。和传统的叶环零件相比，整体叶环重量轻、可靠性好、寿命长，因此在先进涡扇发动机高压压气机整流器中被普遍采用。由于整体叶环是服役于极端环境条件(高温、高压、强冲击)下的关键航空零件，采用高强度耐热材料，叶片形状复杂、流道空间狭窄，机械加工刀具难以达到加工表面，加工可达性差，接刀、加工颤振问题严重，加工效率低，刀具费用大，叶片精度和表面质量难以保证，加工难度极大。
国内整体叶环制造技术主要采用复合制造工艺，即先对叶片间流道进行定轴开粗去除大余量，其后在进行叶片的粗铣及精铣，该加工工艺方法存在以下缺点：
1)粗加工时，采用立铣刀进行定轴开粗，由于整体叶环叶片之间间隙较小，叶片较为扭曲，刀具大小限制，导致叶型转接R处的余量去除不均匀，残余较大；不满足0.4-0.6mm余量的工艺要求；由于叶型本身为较扭曲的曲面，立铣刀定轴铣削无法完全按照叶型曲率进行加工，刀具可达性较差，叶型表面光度差，粗糙度达不到要求；
2)叶片为扭曲型面，叶片薄，叶片刚性较差，采用立铣刀定轴开粗去除大余量，作用在叶身型面的切削力过大，极易造成零件变形震颤，半精铣无法完全去除开粗痕迹，零件表面光度差；
3)余量分布不均匀，叶盆处的转接圆角残余量过大，导致半精铣切削量过大，刀具满刃切削，使用寿命降低；同样也会导致零件自身应力分布不均，影响后续去应力热处理工序，导致零件释放应力不完全，从而增大了零件自身的变形量，为后续机加工增大难度。
因此，传统的机械加工方法已难以胜任，必须探索新的加工工艺。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供一种整体叶环五轴数控铣削方法，采用对向式下刀切削、五轴层铣开槽的铣削方式，采用台阶锥度球头铣刀，至少部分解决现有技术中工艺方法的不足，保证粗铣开槽后叶型余量均匀。
本申请实施例提供一种整体叶环五轴数控铣削方法，包括：
对排气端开槽区域和进气端开槽区域进行划分：以中间为界限分为排气端上流道区域、排气端下流道区域、进气端上流道区域和进气端下流道区域；
设计各个区域的层铣刀轨：以排气端中间为下刀点向上流道方向铣削，进行层铣刀轨开槽排气端上流道区域毛料；以排气端中间为下刀点向下流道方向铣削，进行层铣刀轨开槽排气端下流道区域毛料；以进气端中间为下刀点向上流道方向铣削，进行层铣刀轨开槽进气端上流道区域毛料；以进气端中间为下刀点向下流道方向铣削，进行层铣刀轨开槽进气端下流道区域毛料；在各个区域中刀具相对于被切削表面的法向呈负角；
对向下刀、五轴层铣开槽排气端：将排气端上流道区域的层铣刀轨和排气端下流道区域的层铣刀轨按照一定比例进行组合处理，以开槽区域中间、靠近叶盆或叶背一侧为下刀点，刀具相对于被切削表面的法向呈负角，先向上流道方向铣削一层，再向下流道方向铣削一层，如此往复直至加工完成排气端的开槽铣削；
对向下刀、五轴层铣开槽进气端：将进气端上流道区域的层铣刀轨和进气端下流道区域的层铣刀轨按照一定比例进行组合处理，以开槽区域中间、靠近叶盆或叶背一侧为下刀点，刀具相对于被切削表面的法向呈负角，先向上流道方向铣削一层，再向下流道方向铣削一层，如此往复直至加工完成进气端的开槽铣削。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，在所述对向下刀、五轴层铣开槽排气端步骤之后还包括：
排气端半精铣：采用回字形刀轨分层铣削，将排气端的叶盆、叶背以及上下流道进行半精铣，刀路铣削方向按顺序依次为：排气端上流道叶背侧、排气端上流道叶盆侧、排气端下流道叶盆侧、排气端下流道叶背侧和排气端上流道叶背侧。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，在所述对向下刀、五轴层铣开槽进气端步骤之后还包括：
进气端半精铣：采用回字形刀轨分层铣削，将进气端的叶盆、叶背以及上下流道进行半精铣，刀路铣削方向按顺序依次为：进气端上流道叶背侧、进气端上流道叶盆侧、进气端下流道叶盆侧、进气端下流道叶背侧和进气端上流道叶背侧。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，切削参数为：纵向每层切深0.6mm-1.0mm，横向步距3mm-5mm，刀具每齿进给0.08mm-0.1mm，切削速度40m/min-60m/min。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述刀具相对于被切削表面的法向呈负角，所述负角的度数不超过负20度。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，开槽后的叶型表面粗糙度范围为Ra1.0-Ra1.6。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述刀具选用台阶式锥度球头刀具。
根据本申请实施例的一种具体实现方式，采用的五轴铣床为LIECHTI g-mill1150。
有益效果
本申请实施例中的整体叶环五轴数控铣削方法，采用对向式下刀切削开槽方法，避开上下流道限制，从叶型中部作为进刀点，分别向上下流道两侧走刀切削，铣刀相对于被切削表面的法向始终呈现负角——即“推”的加工模式，保证了铣削刀具具有合适的前倾角，零件所有接触点的切削力无明显变化，同时减小刀具悬伸长度，保持刀具刚性，减缓刀具磨损消耗。
选用五轴层铣开槽的加工策略，利用五轴联动机床，沿着叶型曲率变化进行铣削加工，保证叶型留有均匀的加工余量，避免了定轴铣削根部转接R处残余过大，需要多次分区域调整刀轴矢量铣削的问题。并且选用五轴铣削策略无多余空刀轨，保证了材料去除率，开槽后的叶型表面粗糙度可达Ra1.0-Ra1.6，满足后续腐蚀检查的粗糙度要求。
选用台阶式锥度球头刀具，增强刀具刚性；选用合适的铣削参数可保证零件表面加工质量，减缓刀具磨损消耗，延长刀具使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为根据本发明一实施例的整体叶环结构图；
图2为根据本发明一实施例的相邻两叶片间需要去除的毛料体示意图；
图3为根据本发明一实施例的排气端分层铣削上流道刀轨示意图；
图4为根据本发明一实施例的排气端分层铣削下流道刀轨示意图；
图5为根据本发明一实施例的排气端分层铣削去除的实体示意图；
图6为根据本发明一实施例的排气端半精铣刀路示意图；
图7为根据本发明一实施例的进气端分层铣削上流道刀轨示意图；
图8为根据本发明一实施例的进气端分层铣削下流道刀轨示意图；
图9为根据本发明一实施例的进气端分层铣削去除的实体示意图。
图中：1、上流道侧；2、下流道侧；3、叶盆侧；4、叶背侧；5、叶片。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本申请实施例提供了一种整体叶环五轴数控铣削方法，包括以下步骤：
S101、对排气端开槽区域和进气端开槽区域进行划分：以中间为界限分为排气端上流道区域、排气端下流道区域、进气端上流道区域和进气端下流道区域。
S102、设计各个区域的层铣刀轨：以排气端中间为下刀点向上流道方向铣削，进行层铣刀轨开槽排气端上流道区域毛料；以排气端中间为下刀点向下流道方向铣削，进行层铣刀轨开槽排气端下流道区域毛料；以进气端中间为下刀点向上流道方向铣削，进行层铣刀轨开槽进气端上流道区域毛料；以进气端中间为下刀点向下流道方向铣削，进行层铣刀轨开槽进气端下流道区域毛料；在各个区域中刀具相对于被切削表面的法向呈负角。
S103、对向下刀、五轴层铣开槽排气端：将排气端上流道区域的层铣刀轨和排气端下流道区域的层铣刀轨按照一定比例进行组合处理，以开槽区域中间、靠近叶盆或叶背一侧为下刀点，刀具相对于被切削表面的法向呈负角，先向上流道方向铣削一层，再向下流道方向铣削一层，如此往复直至加工完成排气端的开槽铣削。一般情况下，负角的度数不超过负20度，可根据实际铣削情况进行设计。
S104、对向下刀、五轴层铣开槽进气端：将进气端上流道区域的层铣刀轨和进气端下流道区域的层铣刀轨按照一定比例进行组合处理，以开槽区域中间、靠近叶盆或叶背一侧为下刀点，刀具相对于被切削表面的法向呈负角，先向上流道方向铣削一层，再向下流道方向铣削一层，如此往复直至加工完成进气端的开槽铣削。
在一个实施例中，在步骤S103之后还包括：
排气端半精铣：采用回字形刀轨分层铣削，将排气端的叶盆、叶背以及上下流道进行半精铣，刀路铣削方向按顺序依次为：排气端上流道叶背侧、排气端上流道叶盆侧、排气端下流道叶盆侧、排气端下流道叶背侧和排气端上流道叶背侧。
在另一个实施例中，在步骤S104之后还包括：
进气端半精铣：采用回字形刀轨分层铣削，将进气端的叶盆、叶背以及上下流道进行半精铣，刀路铣削方向按顺序依次为：进气端上流道叶背侧、进气端上流道叶盆侧、进气端下流道叶盆侧、进气端下流道叶背侧和进气端上流道叶背侧。
下面结合具体的闭式整体叶环对本申请的方法进行详细描述，本实施例对某型号闭式整体叶环(图1所示)进行加工，材料为TC11，最大直径为Φ728mm，最小直径为Φ474mm，叶片数量为92片，叶片长度约为103mm，相邻两叶片最小间隙为9.26mm，叶片与上下流道的转接R为2.5+0.5mm，毛坯为模锻件，所使用的五轴铣床为LIECHTIg-mill 1150。本实施例中，选用的刀具规格为φ10-φ6R4 CON1.5°，4切削刃，长度100mm的台阶锥度球头铣刀，可增强刀具刚性。切削参数：纵向(即进排气边方向)的每层切深为0.6-1mm，横向(即叶盆叶背方向)的步距为3-5mm，刀具的每齿进给0.08-0.1mm，切削速度40-60m/min。通过选用合适的铣削参数可保证零件表面加工质量，减缓刀具磨损消耗，延长刀具使用寿命。
具体的加工方法按照如下步骤进行：
S201、将排气端开槽区域分为两部分：如图2所示，以排气端中间位置L1为界限，划分为排气端上流道区域和排气端下流道区域。
S202、设计排气端上流道区域的层铣刀轨，以L2位置作为下刀点向上流道方向铣削，台阶锥度球刀呈负角度铣削，在纵向上采用一定的步距进行层铣刀轨开槽排气端上流道区域毛料，刀路示意图如图3所示。
S203、设计排气端下流道区域的层铣刀轨，以L2位置作为下刀点向下流道方向铣削，台阶锥度球刀呈负角度铣削，在纵向上采用一定的步距进行层铣刀轨开槽排气端下流道区域毛料，刀路示意图如图4所示。
S204、组合上、下流道程序，对向下刀、五轴层铣开槽排气端：将步骤S202和步骤S203所设计的排气端上、下流道的层铣刀轨按照一定比例进行组合处理，铣削时，以L2位置作为下刀点，分别向上下流道铣削，使刀具铣刀相对于被切削表面的法向始终呈现负角——即“推”的加工模式。具体的，先向上流道方向铣削一层，接着向下流道方向铣削一层，如此往复直至加工完成排气端的开槽铣削，排气端对向下刀、五轴层铣开槽去除的毛料体L4如图5所示。
采用“推”的加工模式，保证了铣削刀具具有合适的前倾角，零件所有接触点的切削力无明显变化，同时减小刀具悬伸长度，保持刀具刚性，减缓刀具磨损消耗。
S205、排气端半精铣：采用回字形刀轨分层铣削，刀路铣削方向：排气端上流道叶背侧—排气端上流道叶盆侧—排气端下流道叶盆侧—排气端下流道叶背侧—排气端上流道叶背侧，将叶盆、叶背以及上下流道进行半精铣，提高零件表面粗糙度，半精铣刀路示意图如图6所示。
S206、将进气端开槽区域分为两部分：一般以进气端中间位置为界限分为进气端上流道区域和进气端下流道区域。
S207、设计进气端上流道区域的层铣刀轨：以L3位置作为下刀点向上流道方向铣削，台阶锥度球刀呈负角度铣削，在纵向上采用一定的步距进行层铣刀轨开槽进气端上流道区域毛料，刀路示意图如图7所示。
S208、设计进气端下流道区域的层铣刀轨：以L3位置作为下刀点向下流道方向铣削，台阶锥度球刀呈负角度铣削，在纵向上采用一定的步距进行层铣刀轨开槽进气端下流道区域毛料，刀路示意图如图8所示。
S209、组合上、下流道程序，对向下刀、五轴层铣开槽进气端：将步骤S207和步骤S208所设计的进气端上、下流道的层铣刀轨按照一定比例进行组合处理。铣削时，以开槽区域中间、靠近叶盆或叶背一侧作为下刀点，分别向上下流道铣削，使刀具铣刀相对于被切削表面的法向始终呈现负角——即“推”的加工模式。具体的，先向上流道方向铣削一层，接着向下流道方向铣削一层，如此往复直至加工完成进气端的开槽铣削。进气端对向下刀、五轴层铣开槽去除的毛料体L5如图9所示。
S2010、进气端半精铣：采用回字形刀轨分层铣削，刀路铣削方向：进气端上流道叶背侧—进气端上流道叶盆侧—进气端下流道叶盆侧—进气端下流道叶背侧—进气端上流道叶背侧，将叶盆、叶背以及上下流道进行半精铣，提高零件表面粗糙度。
上述本实施例是闭式整体叶环对向式下刀切削、五轴层铣开槽铣削的加工步骤，沿着叶型曲率变化进行铣削加工，叶型表面余量均匀，避免了定轴铣削根部转接R处残余过大，无需多次选取刀轴矢量铣削，满足要求。并且选用五轴铣削策略无多余空刀轨，保证了材料去除率，开槽后的叶型表面粗糙度范围为Ra1.0-Ra1.6，满足后续腐蚀检查的粗糙度要求。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种整体叶环五轴数控铣削方法，其特征在于，包括：
对排气端开槽区域和进气端开槽区域进行划分：以中间为界限分为排气端上流道区域、排气端下流道区域、进气端上流道区域和进气端下流道区域；
设计各个区域的层铣刀轨：以排气端中间为下刀点向上流道方向铣削，进行层铣刀轨开槽排气端上流道区域毛料；以排气端中间为下刀点向下流道方向铣削，进行层铣刀轨开槽排气端下流道区域毛料；以进气端中间为下刀点向上流道方向铣削，进行层铣刀轨开槽进气端上流道区域毛料；以进气端中间为下刀点向下流道方向铣削，进行层铣刀轨开槽进气端下流道区域毛料；在各个区域中刀具相对于被切削表面的法向呈负角；
对向下刀、五轴层铣开槽排气端：将排气端上流道区域的层铣刀轨和排气端下流道区域的层铣刀轨按照一定比例进行组合处理，以开槽区域中间、靠近叶盆或叶背一侧为下刀点，刀具相对于被切削表面的法向呈负角，先向上流道方向铣削一层，再向下流道方向铣削一层，如此往复直至加工完成排气端的开槽铣削；
对向下刀、五轴层铣开槽进气端：将进气端上流道区域的层铣刀轨和进气端下流道区域的层铣刀轨按照一定比例进行组合处理，以开槽区域中间、靠近叶盆或叶背一侧为下刀点，刀具相对于被切削表面的法向呈负角，先向上流道方向铣削一层，再向下流道方向铣削一层，如此往复直至加工完成进气端的开槽铣削。
2.根据权利要求1所述的整体叶环五轴数控铣削方法，其特征在于，在所述对向下刀、五轴层铣开槽排气端步骤之后还包括：
排气端半精铣：采用回字形刀轨分层铣削，将排气端的叶盆、叶背以及上下流道进行半精铣，刀路铣削方向按顺序依次为：排气端上流道叶背侧、排气端上流道叶盆侧、排气端下流道叶盆侧、排气端下流道叶背侧和排气端上流道叶背侧。
3.根据权利要求1所述的整体叶环五轴数控铣削方法，其特征在于，在所述对向下刀、五轴层铣开槽进气端步骤之后还包括：
进气端半精铣：采用回字形刀轨分层铣削，将进气端的叶盆、叶背以及上下流道进行半精铣，刀路铣削方向按顺序依次为：进气端上流道叶背侧、进气端上流道叶盆侧、进气端下流道叶盆侧、进气端下流道叶背侧和进气端上流道叶背侧。
4.根据权利要求1所述的整体叶环五轴数控铣削方法，其特征在于，切削参数为：纵向每层切深0.6mm-1.0mm，横向步距3mm-5mm，刀具每齿进给0.08mm-0.1mm，切削速度40m/min-60m/min。
5.根据权利要求1所述的整体叶环五轴数控铣削方法，其特征在于，所述刀具相对于被切削表面的法向呈负角，所述负角的度数不超过负20度。
6.根据权利要求1所述的整体叶环五轴数控铣削方法，其特征在于，开槽后的叶型表面粗糙度范围为Ra1.0-Ra1.6。
7.根据权利要求1-6任一项所述的整体叶环五轴数控铣削方法，其特征在于，所述刀具选用台阶式锥度球头刀具。
8.根据权利要求1-6任一项所述的整体叶环五轴数控铣削方法，其特征在于，采用的五轴铣床为LIECHTI g-mill 1150。
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