專利名稱:一種整體葉盤流道復合加工的方法
技術領域:
本發明屬于航空發動機技術領域,是一種基于區域特征選擇適應性加工策略的數 控加工方法,可用于整體葉盤、葉輪類等工業產品加工,特別涉及一種整體葉盤流道復合加 工的方法。
背景技術:
整體葉盤類零件從鍛造毛坯到最終零件的加工成形,需要去除大量的多余材料。 整體葉盤流道區域由空間自由曲面構成,且流道區域容刀空間狹窄、葉片剛性差,以往整體 葉盤采用了滿刀刃槽銑加工的常規方法,刀具磨損嚴重,加工條件差,銑削深度(Ap)最多 不能超過銑刀直徑的一半,由于整體葉盤類零件流道區域結構復雜,刀軸變化劇烈,不得不 采用多軸聯動的加工方式,加工過程不宜控制。
發明內容
針對整體葉盤流道加工現有技術的問題,本發明提供一種整體葉盤流道復合加工 的方法。本發明方法基于葉盤流道的區域特征選擇適應性的數控加工策略,采用擺線銑削、 鉆銑和插銑復合的粗開槽數控加工方法,刀具由現有技術的軸向滿刃切削改變為切向變厚 度切削、端面銑加工改變為側銑加工(切削抗力僅為滿刃切削的一半左右),利用中弧面逼 近葉型曲面,進而確定通道粗加工區域的邊界輪廓和最佳刀軸矢量,通過連接刀心軌跡線 和刀軸驅動線上的對應點,規劃插銑、鉆銑和擺線銑削刀具軌跡。擺線銑削加工方式是一種具有高的材料去除率的加工整體葉盤流道區域封閉型 腔的粗加工方法,與傳統銑削加工方法相比,銑加工刀具會沿著葉片之間的流道走圓形軌 跡。隨著流道區域葉片之間的寬度的變化,圓形軌跡的直徑也在不斷調整,相應的銑削力和 銑削量也在隨時間調整和變化,該加工方式成為一種帶有精加工的封閉型腔粗加工方法。 擺線銑削刀具始終為側刃銑削,充分利用了側刃銑削切削抗力較小的優點。中弧面插銑刀具軌跡設計是在刀具矢量控制方向確定的基礎上,為消除相鄰葉片 的干涉現象,盡量保證均勻地去除材料,設計了中弧面驅動的新工藝,通過構造相鄰葉片之 間的中弧面,保證插銑刀具軌跡在俯視圖上看是一條直線,通過該直線驅動生成了一個簡 潔、優化的三軸、四軸插銑加工程序。相對槽銑方式,擺線銑削刀具較小,刀具懸伸不宜過長,為提高刀具的剛性,刀具 懸伸長度一般不超過刀具直徑的5-6倍,擺線銑削深度隨之確定,超出擺線銑削深度部分 則采用中弧面插銑工藝方法。本發明基于整體葉盤流道區域的結構特點,結合擺線銑削、鉆銑、插銑的特點,全 面利用流道區域的幾何特征信息,來劃分加工區域,選擇數控加工策略,制定加工工藝。具體加工方法包括加工區域劃分、基于區域特征選擇適應性數控加工策略兩個基 本步驟步驟一加工區域劃分
葉盤流道區域是指由輪轂面、葉片的葉背與相鄰葉片的葉盆組成的半封閉區域。 根據流道區域的結構特點,如圖1所示,劃分為3個區域左側三角區域、右側三角區域和中 間流道區域。左、右側三角區域屬于半開敞性區域,受流道型面之間的約束較小,加工刀具 的空間運動范圍相對較大,左、右側三角區域確定后剩下的葉盤流道區域自動形成中間流 道區域,中間流道區域又劃分為內半部流道區域和外半部流道區域,具體確定方法和工藝 參數如下1.刀具直徑D=葉型間距X系數(1.5 2. 5)。2.葉型安全距離=加工余量+安全裕度(0. 2 0. 3mm)。3.葉型安全間隙根據加工余量確定,大于或等于加工余量。4.確定三角區域如圖1所示,利用CAD模型,在垂直投影面上,(1)確定相鄰葉片的葉背和葉盆的最邊緣投影輪廓線;(2)根據粗開流道加工余量,對最邊緣輪廓線區域進行偏置1 1. 5mm ;(3)建立兩相鄰葉片間的中分面,在中分面基礎上建立中分直紋面,確定中分直紋 面的投影線;(4)以中分直紋面投影線上的一點為圓心,以刀具直徑D為直徑,在垂直投影面上 畫圓弧,使圓弧分別與葉片的葉背和相鄰葉片的葉盤的投影輪廓線相切,由此形成的圓弧 區域即為三角區域在垂直投影面上的投影區域。5.確定中間流道區域左、右側三角區域之外的剩下的葉片流道區域為中間流道 區域,中間流道區域又分成內半部區域和外半部區域。步驟二 基于區域特征選擇適應性數控加工策略和加工步驟1.三角區域加工(1)區域特征分析加工的主要目的是最大限度地去除材料,因此,本發明開發的基于區域特征選擇 適應性數控加工策略要在保證葉型形狀的同時,提高加工效率。由于粗加工和精加工的目 的不同,因此,本發明在不同區域中采取的加工策略也不相同。該區域屬半開放空間,與葉 型干涉范圍小,刀具運動空間較大,宜采用大直徑刀具加工去除此處材料。(2)選取工藝參數1)刀具直徑刀具直徑D =葉型間距X系數(1. 5 2. 5),刀具直徑D計算出后要 取整數,小數點后的數值舍去。2)刀軸矢量方向如圖2所示,中分直紋面的母線矢量方向即為刀軸矢量方向,即 刀軸控制運動方向。3)加工步距< D/6。4)切削深度(從葉尖到葉根)=葉片長度_加工余量XI. 5。5)加工方式固定軸鉆、插銑方式。2.中間流道外半部區域加工(1)區域特征分析加工的主要目的是降低切削力,并高效率地去除該區域材料,本發明在該區域中 采取了有效降低切削力,并高效去除材料的擺線加工策略。中間區域屬半封閉空間,刀具運 動空間較小,與葉型極易發生干涉,宜采用小直徑刀具加工去除此處材料。
(2)選取工藝參數1)刀軸矢量方向既要保證加工中刀具具有最大容刀空間,又能最大限度地去除葉片間流道材料而 不與葉片發生干涉。如圖2所示,中分直紋面上的母線矢量方向既是刀軸矢量方向,即刀軸 控制運動方向。2)刀具直徑D根據葉型間距控制最大切削寬度的原則,刀具直徑的大小應保證擺動有足夠的空 間。刀具直徑D=切削寬度-擺寬,刀具在槽間擺寬要大于2mm,否則由于材料在切削中的 變形,排屑不暢,刀具受到擠壓而斷裂。圓形的刀刃可以避免粗加工工具微崩刃,造成刀具 快速磨損報廢。但若刀具圓角過大,切削時刀具底部阻力大,也易引起刀具折斷。3)加工深度< 3D。4)切削寬度=葉型最小間距-2X加工余量。5)步距=擺寬。6)加工方式固定軸擺線銑削方式。3.中間流道內半部區域加工(1)區域特征分析相對而言,該區域的加工條件最差,刀具懸伸較長,剛性較弱,刀具與流道葉型之 間的空間最為狹小,刀具運動空間極為有限。本發明基于了根據區域特征選擇適應性加工 策略的原則,為解決以上問題,該區域選擇了插銑加工策略,這主要在于相同直徑刀具插銑 時的刀具剛性最好,并能夠高效率地去除該區域材料。中間區域屬半封閉空間,刀具運動空 間較小,與葉型極易發生干涉,刀具的大小選擇受到了很大限制。(2)選取工藝參數1)刀軸矢量方向由于該區域葉片嚴重扭曲,且葉片分布較密,限制了刀柄的運動范圍,故求刀軸方 向矢量的區域范圍最為關鍵。為了更好地確定刀軸方向的區域范圍,發明了中弧面定義刀 軸矢量的方法。由于此處切削范圍深,需從上到下全葉型面考慮干涉情況,中分直紋面上的母線 矢量方向就是刀軸矢量方向,即刀軸控制運動方向,如圖2所示。在整體葉盤流道區域的數控加工過程中,刀軸方向起至關重要的作用,既要防止 刀具的刀頭和刀桿與零件發生干涉,又要讓刀具伸入零件內部最短,以保證刀具具有足夠 的剛性。2)刀具懸深長度完全精確的求出刀具伸入零件內部最短時的刀軸方向在大多數情況下是不必要 的,最重要的是要求出在整個整體葉盤的加工過程中刀具伸入零件內部的最大長度,并盡 可能的使最大長度縮短。
刀具懸深長度=λ/葉型最小間距2 +葉片長度2 +5mm ο3)刀具直徑D =葉型最小間距-2*加工余量“扭轉間隙(0. 5 1. 5mm)。4)步距=刀具直徑D/6。
5)加工深度=(1 1. 3)D。6)加工方式固定軸插銑方式,為減少刀具切削承載量,提高刀具耐用度,采用兩 排刀軌交錯插銑加工。本發明一種整體葉盤流道復合加工的方法的有益效果與常規單一加工方式相 比,分區域、變切深的工藝方法,增強了葉片剛性和加工穩定性,加工效率提高30%以上; 與常規單一加工方式相比,擺線銑、插銑復合的工藝方法,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過程中的振動現象、降低了切削力和最大限 度地拓展了刀具運動空間,提高了加工效率50%以上。
圖1為加工區域劃分示意2為流道刀軸矢量方向示意3為壓氣機整體葉盤相鄰葉片結構示意4為圖3的F向視中1左側三角區域投影2右側三角區域投影3中間流道區域投影4直紋面的投 影線5中分直紋面6中分直紋面母線7葉型最小間距8葉片寬度9葉片長度
具體實施例方式如圖3和圖4所示,加工一個壓氣機整體葉盤,整體葉盤由輪盤和葉片組成,材料 為鈦合金,葉片長度=60mm,葉片寬度=50mm,葉型最小間距=10mm,最小加工余量1mm。根據本發明一種整體葉盤流道復合加工的方法,具體加工步驟如下步驟一加工區域劃分1.刀具直徑 D = 10X2 = 20mm。2.葉型安全距離=1+0. 2=1. 2_。3.葉型安全間隙=1mm。4.確定三角區域如圖1所示,利用CAD模型,在垂直投影面上,(1)確定相鄰葉片的葉背和葉盆的最邊緣投影輪廓線;(2)考慮粗開流道加工余量,對最邊緣輪廓線區域進行偏置Imm ;(3)建立兩相鄰葉片間的中分面,在中分面基礎上建立一個最近似于它的中分直 紋面5,確定中分直紋面5的投影線;(4)以中分直紋面5投影線上的一點為圓心,以20mm為直徑,在垂直投影面上畫圓 弧,使圓弧分別與相鄰葉片的葉背和葉盤的投影輪廓線相切,由此形成的圓弧區域即為三 角區域在垂直投影面上的投影區域。5.確定中間流道區域3 左側三角區域1和右側三角區域2之外的剩下的葉片流 道區域為中間流道區域3,中間流道區域3又分成中間流道內半部區域和中間流道外半部 區域。步驟二 基于區域特征選擇適應性數控加工策略1.三角區域加工(1)切削參數
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1)刀具直徑 D = 10X2 = 20mm。2)刀軸矢量方向如圖2所示,中分直紋面5的母線矢量方向6即為刀軸矢量方 向。3)加工步距二 3讓。4)切削深度二 58. 5讓。5)加工方式固定軸鉆、插銑方式。2.中間流道內半部區域加工(1)工藝參數1)刀軸矢量方向如圖2所示,中分直紋面5上的母線矢量方向6既是刀軸矢量方向。2)刀具直徑切削寬度為8mm,擺寬為2mm,因此刀具直徑D = 6mm。3)加工深度二 18讓。4)切削寬度二 8mm。5)步距=2mm。6)加工方式固定軸擺線銑削方式。3.中間流道外半部區域加工(1)工藝參數1)刀軸矢量方向如圖2所示,中分直紋面5上的母線矢量方向6既是刀軸矢量方向,即刀軸控制運 動方向。2)刀具懸深長度=65. 83mm。3)刀具直徑 D = 7mm。4)步距=1. 1mm。5)加工深度二 8mm。6)加工方式固定軸插銑方式,采用兩排刀軌交錯插銑加工。通過上述方法的加工,較大地去除了壓氣機整體葉盤的葉型間的應去除材料,降 低了加工中刀具的切削力,減少了刀具的磨損,拓展了刀具運動空間,提高了加工效率。
權利要求
一種整體葉盤流道復合加工的方法,其特征在于基于整體葉盤流道的區域特征選擇適應性的數控加工策略,具體加工方法包括加工區域劃分、基于區域特征選擇適應性數控加工策略兩個基本步驟步驟一加工區域劃分葉盤流道區域是指由輪轂面、葉片的葉背與相鄰葉片的葉盆組成的半封閉區域,根據葉盤流道區域的結構特點,劃分為三個區域左側三角區域、右側三角區域和中間流道區域,中間流道區域又劃分為內半部區域和外半部區域,具體確定方法和工藝參數如下;(1)刀具直徑D=葉型間距×系數,系數為1.5~2.5;(2)葉型安全距離=加工余量+安全裕度,安全裕度為0.2~0.3mm;(3)葉型安全間隙根據加工余量確定,大于或等于加工余量;(4)確定三角區域利用CAD模型,在垂直投影面上,1)確定相鄰葉片的葉背和葉盆的最邊緣投影輪廓線;2)根據粗開流道加工余量,對最邊緣輪廓線區域進行偏置1~1.5mm;3)建立兩相鄰葉片間的中分面,在中分面基礎上建立中分直紋面,確定中分直紋面的投影線;4)以中分直紋面投影線上的一點為圓心,以刀具直徑D為直徑,在垂直投影面上畫圓弧,使圓弧分別與葉片的葉背和相鄰葉片的葉盤的投影輪廓線相切,由此形成的圓弧區域即為三角區域在垂直投影面上的投影區域;(5)確定中間流道區域左、右側三角區域之外的剩下的葉片流道區域為中間流道區域,中間流道區域又分成內半部區域和外半部區域;步驟二基于區域特征選擇適應性數控加工策略(1)三角區域加工選取工藝參數如下1)刀具直徑D=葉型間距X系數,系數為1.5~2.5,刀具直徑D計算出后要取整數,小數點后的數值舍去;2)刀軸矢量方向利用CAD模型建立兩葉片間的中分面,在中分面基礎上建立中分直紋面,中分直紋面的母線矢量方向即為刀軸矢量方向,即刀軸控制運動方向;3)加工步距≤D/6;4)切削深度=葉片長度 加工余量;5)加工方式固定軸鉆、插銑方式;(2)中間流道外半部區域加工選取工藝參數如下1)刀軸矢量方向中分直紋面上的母線矢量方向既是刀軸矢量方向,即刀軸控制運動方向;2)刀具直徑D=切削寬度 擺寬,擺寬要大于2mm;3)加工深度≤3D;4)切削寬度=葉型間距 2×加工余量;5)步距=擺寬;6)加工方式固定軸擺線銑削方式;(3)中間流道內半部區域加工選取工藝參數如下1)刀軸矢量方向中分直紋面上的母線矢量方向就是刀軸矢量方向,即刀軸控制運動方向;2)刀具懸深長度=3)刀具直徑D=葉型最小間距 2*加工余量 扭轉間隙,扭轉間隙為0.5~1.5mm;4)步距=刀具直徑D/6;5)加工深度=(1~1.3)D;6)加工方式固定軸插銑方式,采用兩排刀軌交錯插銑加工。FSA00000228146800021.tif
全文摘要
本發明屬于航空發動機技術領域,公開了一種整體葉盤流道復合加工的方法,該方法基于區域特征選擇適應性加工策略的數控加工方法,具體步驟包括(1)加工區域劃分;(2)基于區域特征選擇適應性數控加工策略。該方法采用擺線銑削、鉆銑和插銑復合的粗開槽數控加工方法,利用中弧面逼近葉型曲面,進而確定通道粗加工區域的邊界輪廓和最佳刀軸矢量。本發明的有益效果是分區域、變切深的加工方法,增強了葉片剛性和加工穩定性;擺線銑、插銑復合的工藝方法,提高了刀具的耐用度和材料去除率;有效地避免了粗加工過程中的振動現象、降低了切削力和最大限度地拓展了刀具運動空間,提高了加工效率。
文檔編號B23C3/16GK101966604SQ20101025258
公開日2011年2月9日 申請日期2010年8月13日 優先權日2010年8月13日
發明者吳志新, 張森棠, 李冬梅, 趙恒 申請人:沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司