一种难加工材料薄壁叶片行间变余量精密铣削加工方法

摘要

本发明提出一种难加工材料薄壁叶片行间变余量精密铣削加工方法，通过叶根边界面和叶尖边界面裁剪叶背曲面和叶盆曲面，得到四张驱动曲面，以驱动曲面上等u参数线作为加工路径，并分别设置每条加工路径的切削行余量，最后循环完成四张驱动面上的加工。本发明有利于提高叶片的截面位置度，有利于提高叶片的表面轮廓度，有利于减小叶片的扭转变形，与传统的纵向固定余量切削和螺旋铣削方法相比较，本发明可解决加工过程中扭转变形大、轮廓精度差、截面位置度误差不易控制等技术问题，实现了难加工材料薄壁叶片高效精密数控加工。

权利要求

1.一种难加工材料薄壁叶片行间变余量精密铣削加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据叶片设计数据，在三维建模软件中构建叶片的三维模型；并且根据叶背、叶盆截面线数据，采用截面线放样法构造叶背曲面和叶盆曲面作为辅助面；

步骤2：在叶片三维模型中将叶片两端面均向叶身方向偏置，偏置距离保证加工时刀具不与叶片端面发生干涉，得到的两个偏置面分别为叶尖边界面和叶根边界面；

步骤3：利用叶根边界面和叶尖边界面裁剪叶背曲面，得到叶背曲面在叶根边界面和叶尖边界面之间的曲面Syb，提取曲面Syb的等u参数线，曲面Syb的等u参数线数量为2N，分别利用曲面Syb等u参数线中沿u向的前N条参数线和后N条参数线通过截面线放样法构造驱动曲面Ⅰ和Ⅱ；利用叶根边界面和叶尖边界面裁剪叶盆曲面，得到叶盆曲面在叶根边界面和叶尖边界面之间的曲面Syp，提取曲面Syp的等u参数线，曲面Syp的等u参数线数量为2N，分别利用曲面Syp等u参数线中沿u向的前N条参数线和后N条参数线通过截面线放样法构造驱动曲面Ⅲ和Ⅳ，驱动曲面Ⅰ和驱动曲面Ⅳ在叶身中轴线沿v向同一侧；

步骤4：将每个驱动曲面上的N条等u参数线作为该驱动曲面的加工路径；采用如下方法确定每个驱动曲面上每条加工路径的切削加工余量：以最靠近叶片边缘的一条加工路径为第0条加工路径，其切削行余量作为起始余量ds，以最靠经叶片中轴线的一条加工路径为第N-1条加工路径，其切削行余量作为终止余量de，则中间第i条加工路径的切削行余量di为：步骤5：按照步骤4确定的各个驱动曲面上各条加工路径的切削加工余量对叶片进行切削加工，从第0条加工路径依次加工至第N-1条加工路径，其中加工第i条加工路径时各个驱动曲面切削加工顺序为：首先加工驱动曲面Ⅰ上第i条加工路径，之后加工驱动曲面Ⅳ上第i条加工路径，再加工驱动曲面Ⅲ上第i条加工路径，最后加工驱动曲面Ⅱ上第i条加工路径，完成一个加工循环。

说明书

一种难加工材料薄壁叶片行间变余量精密铣削加工方法

技术领域

[0001] 本发明属于精密、超精密铣削加工技术领域，具体为一种难加工材料薄壁叶片行间变余量精密铣削加工方法，主要解决航空发动机薄壁叶片的数控铣削精加工变形控制问题。

背景技术

[0002] 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、轻等新的结构特点，同时也给其制造精度提出了更高的要求。航空发动机叶片高质量精密加工技术是发动机叶片制造面临的挑战性课题，也是当前国内航空发动机制造的关键技术之一。

[0003] 目前，在国内航空发动机叶片数控加工方面，常采用的铣削方法有单面铣削方法和螺旋铣削方法。单面铣削方法分别在半精加工和精加工工序中，或先加工整个叶背型面，或先加工整个叶盆型面。其中，在这两个工序中整个叶片型面留有相同的加工余量。这种铣削工艺简单易行，对设备要求相对较低。而螺旋铣削方法需要采用四坐标以上的设备。在叶片加工时，螺旋加工方法往往从叶根朝叶尖方向螺旋加工，加工过程中叶片不断旋转，叶背、叶盆同时均匀去除多余材料，相对单面铣削方法而言有利于其加工质量的控制和加工效率的提升。但是随着发动机性能的不断提高，叶片趋向于薄壁、轻量化方向发展。对于这类叶片的加工，若采用传统的单面铣削方法和螺旋铣削方法，则会因为加工中的切削力和加工后表面残余应力的影响而导致叶片产生较大的弯曲和扭转变形，严重影响叶片截面位置度和轮廓度，导致加工出现大量不合格品。

[0004] 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工艺方法，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，以满足相关科技工程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

[0005] 要解决的技术问题

[0006] 本发明主要是针对叶片加工时的弯曲和扭转变形，从加工工艺方面抑制弯曲和扭转变形对叶片加工精度的影响。为了解决现有技术中薄壁叶片加工时加工变形大，精度难保证的问题，本发明提出一种难加工材料薄壁叶片行间变余量精密铣削加工方法。针对叶片加工变形的特点采用行间变余量纵向铣削精加工方法，从而提高叶片加工精度和效率，实现薄壁叶片的高效精密切削。

[0007] 螺旋铣切削方向是沿着叶片截面线方向一圈一圈的进行加工，而纵向铣削的切削方向改为沿叶片轴向方向加工，也就是与叶片截面线方向近似垂直的方向。螺旋铣加工时连续不断朝一个方向前进的切削力很容易造成薄壁叶片的加工扭转变形和叶片截面线位置度的偏移。纵向铣与螺旋铣方式相比，改变了切削力的方向，纵向切削非常有利于减小螺旋加工时横向切削力造成的扭转变形问题，同时有利于提高各个叶片截面的位置度。但是，从实际测量结果来看，采用传统的固定加工余量纵向铣刀位轨迹加工出的叶片扭转和弯曲变形的确较小，但存在的主要问题是表面轮廓度不够好，从叶片进、排气边到叶片中轴线，残留余量逐渐增加。这种情况在加工高温合金等难加工材料的叶片时，问题较为突出，几乎难以加工出合格产品。

[0008] 技术方案

[0009] 本发明的技术方案为：

[0010] 所述一种难加工材料薄壁叶片行间变余量精密铣削加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

[0011] 步骤1：根据叶片设计数据，在三维建模软件中构建叶片的三维模型；并且根据叶背、叶盆截面线数据，采用截面线放样法构造叶背曲面和叶盆曲面作为辅助面；

[0012] 步骤2：在叶片三维模型中将叶片两端面均向叶身方向偏置，偏置距离保证加工时刀具不与叶片端面发生干涉，得到的两个偏置面分别为叶尖边界面和叶根边界面；

[0013] 步骤3：利用叶根边界面和叶尖边界面裁剪叶背曲面，得到叶背曲面在叶根边界面和叶尖边界面之间的曲面Syb，提取曲面Syb的等u参数线，曲面Syb的等u参数线数量为2N，分别利用曲面Syb等u参数线中沿u向的前N条参数线和后N条参数线通过截面线放样法构造驱动曲面Ⅰ和Ⅱ；利用叶根边界面和叶尖边界面裁剪叶盆曲面，得到叶盆曲面在叶根边界面和叶尖边界面之间的曲面Syp，提取曲面Syp的等u参数线，曲面Syp的等u参数线数量为2N，分别利用曲面Syp等u参数线中沿u向的前N条参数线和后N条参数线通过截面线放样法构造驱动曲面Ⅲ和Ⅳ，驱动曲面Ⅰ和驱动曲面Ⅳ在叶身中轴线沿v向同一侧；

[0014] 步骤4：将每个驱动曲面上的N条等u参数线作为该驱动曲面的加工路径；采用如下方法确定每个驱动曲面上每条加工路径的切削加工余量：

[0015] 以最靠近叶片边缘的一条加工路径为第0条加工路径，其切削行余量作为起始余量ds，以最靠经叶片中轴线的一条加工路径为第N-1条加工路径，其切削行余量作为终止余量de，则中间第i条加工路径的切削行余量di为：

[0016]

[0017] 步骤5：按照步骤4确定的各个驱动曲面上各条加工路径的切削加工余量对叶片进行切削加工，从第0条加工路径依次加工至第N-1条加工路径，其中加工第i条加工路径时各个驱动曲面切削加工顺序为：首先加工驱动曲面Ⅰ上第i条加工路径，之后加工驱动曲面Ⅳ上第i条加工路径，再加工驱动曲面Ⅲ上第i条加工路径，最后加工驱动曲面Ⅱ上第i条加工路径，完成一个加工循环。

[0018] 有益效果

[0019] 本发明的直接效果非常明显，具体体现在以下三个方面：

[0020] a)有利于提高叶片的截面位置度。采用纵向对称铣削方式，切削前进方向的切削力不易造成零件出现弯曲变形，加工表面的残余应力呈对称分布，从而减小了残余应力和切削力对截面位置度的影响。

[0021] b)有利于提高叶片的表面轮廓度。采用行间变余量加工方式，可根据具体情况设定合适的加工参数，从而实现表面轮廓度的精确控制，有利于提高叶片的表面轮廓度。

[0022] c)有利于减小叶片的扭转变形。沿叶片纵向切削，有利于减小螺旋加工时连续的横向切削力造成的扭转变形问题，非常有利于减小薄壁难加工材料的叶片扭转变形问题。

[0023] 本发明提出的行间变余量纵向对称精密铣削方法，与传统的纵向固定余量切削和螺旋铣削方法相比较，可解决加工过程中扭转变形大、轮廓精度差、截面位置度误差不易控制等技术问题，实现了难加工材料薄壁叶片高效精密数控加工。

附图说明

[0024] 图1是本发明实施的流程图；

[0025] 图2是叶片结构示意图；

[0026] 图3是划定边界面示意图；

[0027] 图4是驱动曲面示意图；

[0028] 图中：1-进气边；2-叶背型面；3-排气边；4-叶盆型面；5-叶根边界面；6-叶尖边界面；7-驱动曲面Ⅰ；8-驱动曲面Ⅱ；9-驱动曲面Ⅲ；10-驱动曲面Ⅳ。

具体实施方式

[0029] 下面结合具体实施例描述本发明：

[0030] 本实施例以图2所示的某航空发动机薄壁叶片为例，图2所示叶片尺寸约为：72mm×26mm×1.5mm，刀具直径为6mm的球头刀。本发明的具体实施流程如图1所示。

[0031] 该叶片采用四轴数控加工中心进行加工，叶片的轴向与机床X轴重合，并可绕X轴旋转360°。实施的具体步骤如下：

[0032] 步骤1：根据设计部门给出的叶片设计数据，在三维建模软件中构建叶片的三维模型；并且根据叶背、叶盆截面线数据，采用截面线放样法构造叶背曲面和叶盆曲面作为辅助面。

[0033] 步骤2：在叶片三维模型中将叶片两端面均向叶身方向偏置，偏置距离保证加工时刀具不与叶片端面发生干涉，得到的两个偏置面分别为叶尖边界面和叶根边界面；

[0034] 如图2所示，叶片的两端连有两个长短不同的轴。依据长短，分别定义为短轴和长轴。其与叶身相连的叶片两端面分别称作短轴端面和长轴端面。

[0035] （1）叶尖边界面

[0036] 向叶身方向偏置短轴端面得到短轴端面偏置面，其偏置距离要保证加工时刀具不与短轴端面发生干涉为准。短轴端面偏置面即为叶尖边界面，如图3所示。

[0037] （2）叶根边界面

[0038] 向叶身方向偏置长轴端面得到长轴端面偏置面，其偏置距离要保证加工时刀具不与长轴端面发生干涉为准。长轴端面偏置面即为叶根边界面，如图3所示。

[0039] 步骤3：利用叶根边界面和叶尖边界面裁剪叶背曲面，得到叶背曲面在叶根边界面和叶尖边界面之间的曲面Syb，提取曲面Syb的等u参数线，曲面Syb的等u参数线数量为60，分别利用曲面Syb等u参数线中沿u向的前30条参数线和后30条参数线通过截面线放样法构造驱动曲面Ⅰ和Ⅱ；利用叶根边界面和叶尖边界面裁剪叶盆曲面，得到叶盆曲面在叶根边界面和叶尖边界面之间的曲面Syb，提取曲面Syp的等u参数线，曲面Syp的等u参数线数量为60，分别利用曲面Syp等u参数线中沿u向的前30条参数线和后30条参数线通过截面线放样法构造驱动曲面Ⅲ和Ⅳ，驱动曲面Ⅰ和驱动曲面Ⅳ在叶身中轴线沿v向同一侧；驱动曲面如图4所示。

[0040] 步骤4：将每个驱动曲面上的30条等u参数线作为该驱动曲面的加工路径；采用如下方法确定每个驱动曲面上每条加工路径的切削加工余量，该方法沿叶片进、排气边到叶片中轴线方向，逐渐改变各切削行的加工余量，以传统加工方法中的固定余量作为参考值，加工后残留余量大的部分对应的切削行需要设定比固定余量小的参数值,而加工后残留余量小的部分对应的切削行需要设定比固定余量大的参数值。

[0041] 以最靠近叶片边缘的一条加工路径为第0条加工路径，其切削行余量作为起始余量ds，取ds＝0.02mm；以最靠经叶片中轴线的一条加工路径为第N-1条加工路径，其切削行余量作为终止余量de，de＝-0.10mm（负号表示在叶片理论模型以下）；则中间第i条加工路径的切削行余量di为：

[0042]

[0043] 理论上讲，四张曲面的加工余量设置可以采用相同的数值，也可以相对独立，四张曲面根据具体情况设定自己的第0条加工路径和第N-1条加工路径的加工余量。

[0044] 步骤5：按照步骤4确定的各个驱动曲面上各条加工路径的切削加工余量对叶片进行切削加工，从第0条加工路径依次加工至第29条加工路径，其中加工第i条加工路径时各个驱动曲面切削加工顺序为：首先加工驱动曲面Ⅰ上第i条加工路径，之后工作台旋转180°，加工驱动曲面Ⅳ上第i条加工路径，再加工驱动曲面Ⅲ上第i条加工路径，最后工作台旋转180°，加工驱动曲面Ⅱ上第i条加工路径，完成一个加工循环。总共完成30次循环，完成整个叶片曲面加工。