一种闭式整体叶环叶片铣削接刀控制方法

摘要

一种闭式整体叶环叶片铣削接刀控制方法，属于航空发动机技术领域。所述闭式整体叶环叶片铣削接刀控制方法，包括如下步骤：S1制定整体叶环叶片铣削的工步流程；S2选择半精加工余量和角向调整余量；S3选取刀具；S4设计进、排气边叶片对接加工角向调整方案和S5选取接刀方式。所述闭式整体叶环叶片铣削接刀控制方法，实现接刀位置数量大幅减少、接刀尺寸

权利要求

1.一种闭式整体叶环叶片铣削接刀控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、制定整体叶环叶片铣削的工步流程：进气端型腔半精加工，进气端转接圆角半精加工，进气端型腔精加工，排气端角向调整加工，排气端型腔半精加工，排气端转接圆角半精加工，排气端型腔精加工；

S2、选择半精加工余量和角向调整余量：半精加工余量为0.1mm‑0.5mm，角向调整余量大于装夹系统偏差与半精加工余量之和；

S3、选取刀具；

S4、设计进、排气端叶片对接加工角向调整方案，具体步骤如下：S4.1、完成一个型腔的角向调整工步的加工；

S4.2、采集加工后型腔的叶背侧台阶差和叶盆侧台阶差；

S4.3、角向调整，当叶背侧台阶差和叶盆侧台阶差的差值大于等于设定值时，计算角向调整量，角向调整量＝180|A‑B|/πD，式中，A为叶背侧台阶差，B为叶盆侧台阶差，D为叶环最大外侧直径尺寸，调整方向是朝向台阶差大的一侧；

S4.4、选择另一个型腔，重复步骤S 4.1‑步骤S 4.3，直至叶背侧台阶差和叶盆侧台阶差的差值小于所述设定值；

S5、选取接刀方式，采用搭接接刀的方式，确定搭接段长度，排气端延长刀具轨迹的长度大于精加工刀具半径的1.5倍。

2.根据权利要求1所述的闭式整体叶环叶片铣削接刀控制方法，其特征在于，所述步骤S4中的设定值为0.005mm。

3.根据权利要求1所述的闭式整体叶环叶片铣削接刀控制方法，其特征在于，选取切削参数：闭式整体叶环叶片半精加工时选择每层切深为0.1‑0.2mm，刀具每齿进给0.03～

0.05mm，切削速度为30～40m/min；闭式整体叶环叶片精加工时选择每层切深为0.05‑

0.1mm，刀具每齿进给0.03～0.05mm，切削速度为50～60m/min。

4.根据权利要求1所述的闭式整体叶环叶片铣削接刀控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，选择直柄球头铣刀进行半精加工；选择直柄球头铣刀和锥柄加强球头铣刀进行转接圆角半精加工；选择锥柄加强球头铣刀进行精加工，并且刀具的表面涂有氮化铝钛涂层。

说明书

一种闭式整体叶环叶片铣削接刀控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种闭式整体叶环叶片铣削接刀控制方法。

背景技术

[0002] 闭式整体叶环类零件是航空发动机上采用的新结构零件，该闭式整体叶环零件由内环、外环和叶片三部分构成，零件的内环和外环为薄壁结构，叶片部位为典型的型腔结
构，内/外环与叶片的转接圆角尺寸较小，形状复杂，且叶片呈弯扭结构的复杂型面，沿轴向
观察叶片相互遮挡，叶片间空间狭小，导致容刀空间小，需采用小直径铣刀分别从进排气端
两端对接加工。但因为零件和加工机床结构的限制多需将零件翻转进行二次装夹，由于装
夹系统存在固有的装夹角向误差，会对对接铣接刀位置台阶尺寸大小产生较大影响，同时
传统加工方案采用叶身、流道精加工后再对内/外环与叶片的转接圆角进行清根加工，导致
精铣叶片后接刀位置较多，接刀质量难于控制，比如，如图4所示，传统加工方案一，采用半
精加工叶身流道→精加工叶身流道→清根加工转接圆角的方式接刀位置多达24条/型腔；
如图5所示，传统加工方案二，采用半精加工叶身流道→精加工叶身→半精清根加工转接圆
角→精加工流道与转接圆角的方式接刀位置多达12条/型腔。

发明内容

[0003] 为了解决现有技术存在的航空发动机闭式整体叶环零件精铣叶片后接刀位置多、接刀尺寸大小难于控制等技术问题，本发明提供了一种闭式整体叶环叶片铣削接刀控制方
法，实现接刀位置数量大幅减少、接刀位置台阶尺寸<0.02mm、接刀位置平滑转接，从而提高
叶片精铣质量，降低光整加工的难度和工作量。

[0004] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

[0005] 一种闭式整体叶环叶片铣削接刀控制方法，包括如下步骤：

[0006] S1、制定整体叶环叶片铣削的工步流程：进气端型腔半精加工，进气端转接圆角半精加工，进气端型腔精加工，排气端角向调整加工，排气端型腔半精加工，排气端转接圆角
半精加工，排气端型腔精加工；

[0007] S2、选择半精加工余量和角向调整余量：半精加工余量为0.1mm‑0.5mm，角向调整余量大于装夹系统偏差与半精加工余量之和；

[0008] S3、选取刀具；

[0009] S4、设计进、排气端叶片对接加工角向调整方案，具体步骤如下：

[0010] S4.1、完成一个型腔的角向调整工步的加工；

[0011] S4.2、采集加工后型腔的叶背侧台阶差和叶盆侧台阶差；

[0012] S4.3、角向调整，当叶背侧台阶差和叶盆侧台阶差的差值大于等于设定值时，计算角向调整量，角向调整量＝180|A‑B|/πD，式中，A为叶背侧台阶差，B为叶盆侧台阶差，D为叶
环最大外侧直径尺寸，调整方向是朝向台阶差大的一侧；

[0013] S4.4、选择另一个型腔，重复步骤4.1‑步骤4.3，直至叶背侧台阶差和叶盆侧台阶差的差值小于所述设定值；

[0014] S5、选取接刀方式，采用搭接接刀的方式，确定搭接段长度，排气端延长刀具轨迹的长度大于精加工刀具半径的1.5倍。

[0015] 所述步骤S4中的设定值为0.005mm。

[0016] 选取切削参数：闭式整体叶环叶片半精加工时选择每层切深为0.1‑0.2mm，刀具每齿进给0.03～0.05mm，切削速度为30～40m/min；闭式整体叶环叶片精加工时选择每层切深
为0.05‑0.1mm，刀具每齿进给0.03～0.05mm，切削速度为50～60m/min。

[0017] 所述步骤S3中，选择直柄球头铣刀进行半精加工；选择直柄球头铣刀和锥柄加强球头铣刀进行转接圆角半精加工；选择锥柄加强球头铣刀进行精加工，并且刀具的表面涂
有氮化铝钛涂层。

[0018] 本发明的有益效果：

[0019] 1)本发明针对闭式整体叶环类零件，通过对闭式整体叶环叶片铣削工步的合理划分，减少接刀位置的数量，将接刀由常规方案的24条/型腔或12条/型腔减少为1条/型腔；

[0020] 2)本发明通过闭式整体叶环进、排气端叶片对接加工角向调整方法，大幅降低对接接刀位置台阶的尺寸值，保证二次装夹准确对接铣削；

[0021] 3)通过闭式整体叶环进排气端叶片搭接接刀方法，实现接刀位置平滑过渡转接，进排气对接铣接刀位置台阶尺寸<0.02mm，极大的提高了叶片精铣质量，降低了光整加工的
难度和工作量；

[0022] 4)本发明已经应用于高温合金闭式整体叶环零件的制造中，取得了较高的经济效益，按每小时工时费66元，生产30件计算，实现节约工时费110万元，并且使闭式整体叶环叶
片精铣加工后叶型表面接刀位置减少为1处，接刀尺寸<0.02mm，且接刀位置平滑转接，使后
续的光整加工时间由640h缩短为80h；

[0023] 5)航空发动机压气机叶片静子零件将会越来越多采用整体结构，本发明能够可行有效地解决闭式整体叶环叶片精铣削时接刀位置多、接刀尺寸大小难于控制等问题，本发
明还可应用到复杂曲面深腔的精铣加工中。

[0024] 本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

[0025] 图1是本发明实施例提供的闭式整体叶环的结构示意图；

[0026] 图2是本发明实施例提供的闭式整体叶环叶片的结构示意图；

[0027] 图3是本发明实施例提供的整体叶环叶片铣削的工步流程接刀位置示意图；

[0028] 图4是传统加工方案一接刀位置示意图；

[0029] 图5是传统加工方案二接刀位置示意图；

[0030] 图6是整体叶环叶片进、排气端对接加工接刀位置示意图；

[0031] 图7是本发明实施例提供的角向调整工步加工后接刀位置示意图；

[0032] 图8是本发明实施例提供的搭接接刀方式平滑转接过渡示意图。

[0033] 说明书附图中的附图标记包括：

[0034] 101‑内环，102‑外环，103‑叶片，104‑型腔，105‑转接圆角，106‑叶盆，107‑叶背，108‑流道，109‑进气端，110‑排气端，111‑叶背侧，112‑叶盆侧，113‑加工叶型截面线，114‑
理论叶型截面线。

具体实施方式

[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0036] 为了解决现有技术存在的问题，如图1至图8所示，本发明提供了一种闭式整体叶环叶片铣削接刀控制方法，包括如下步骤：

[0037] S1、根据闭式整体叶环结构和材料特点，制定整体叶环叶片103铣削的工步流程：进气端109型腔104半精加工→进气端109转接圆角105半精加工→进气端109型腔104精加
工→排气端110角向调整加工→排气端110型腔104半精加工→排气端110转接圆角105半精
加工→排气端110型腔104精加工。

[0038] S2、选择半精加工余量和角向调整余量：半精加工余量为0.1mm‑0.5mm，角向调整余量大于装夹系统偏差与半精加工余量之和。

[0039] 根据闭式整体叶环叶片103材料、尺寸和结构特点选择适当的半精加工余量，当结构强度较好，加工变形较小时半精加工余量设置为0.1mm，当加工变形较大可适当增加半精
加工余量，但不能超过0.5mm。角向调整余量设置应根据闭式整体叶环的直径和装夹系统的
重复定位精度进行合理选择，例如直径500mm的闭式整体叶环，装夹系统固有角向误差1′，
则叶片103部位偏差0.07mm，角向调整余量应大于装夹系统固有角向误差的影响。

[0040] S3、选取刀具，选择直柄球头铣刀进行半精加工；选择直柄球头铣刀和锥柄加强球头铣刀进行转接圆角半精加工；选择锥柄加强球头铣刀进行精加工，并且刀具的表面涂有
氮化铝钛涂层。

[0041] 为降低刀具成本，提高加工效率，应尽量选用标准的直柄球头铣刀进行加工，并根据闭式整体叶环叶片103间距、叶片103与流道108转接圆角105大小和加工强度需求，尽量
选取较大刀具直径，当叶片103与流道108转接圆角105过小时，应选用锥柄加强球头铣刀进
行加工，必要时要选用多把锥柄加强球头铣刀完成转接圆角105加工。

[0042] S4、设计进、排气端叶片103对接加工角向调整方案，具体步骤如下：

[0043] S4.1、完成一个型腔的角向调整工步的加工；

[0044] S4.2、采用测量工具采集加工后型腔的叶背侧111台阶差和叶盆侧112台阶差，测量工具采用现有技术，比如在线测量系统；

[0045] S4.3、角向调整，当叶背侧111台阶差和叶盆侧112台阶差的差值大于等于设定值时，计算角向调整量，角向调整量＝180|A‑B|/πD，式中，A为叶背侧111台阶差，B叶盆侧112
台阶差，D为叶环最大外侧直径尺寸，调整方向是朝向台阶差大的一侧，考虑加工效率和成
本等因素一般角向调整只需加工2‑3个型腔，设定值不宜过小，故设定值为0.005mm；

[0046] S4.4、选择另一个型腔，重复步骤4.1‑步骤4.3，直至叶背侧111台阶差和叶盆侧112台阶差的差值小于所述设定值。

[0047] 在闭式整体叶环加工中多涉及将零件翻转二次装夹对接加工，但由于二次装夹系统存在不同程度的固有角向误差，必然会影响接刀尺寸的大小和表面加工质量，如图6所
示，当装夹系统的固有角向误差较大，并且没有有效消除或控制时，接刀位置会在叶盆侧
112、叶背侧111产生较大的台阶。因此在二次装夹后要设计合理的进、排气端叶片103对接
加工角向调整方案，尽量消除装夹系统的固有角向误差的影响。

[0048] S5、选取接刀方式，采用搭接接刀的方式，确定搭接段长度，排气端延长刀具轨迹的长度大于精加工刀具半径的1.5倍。

[0049] 由于闭式整体叶环加工需要进、排气端双向对接加工，为提高接刀位置的加工质量，需采用搭接接刀的方式，即单一侧加工后，对接加工另一侧时需延长一段刀轨，搭接在
已加工完的型面上，这样可以使接刀位置平滑过渡转接。延长刀具轨迹的长度不宜过长也
不能过短，选择1.5倍的精加工刀具半径较为适宜。

[0050] 切削参数的选取首先需要考虑刀具寿命，保证刀具有足够的切削寿命完成切削，同时尽量以大的材料去除率提高加工效率。

[0051] 实施例

[0052] 如图1和图2所示，整体叶环包括内环101、外环102和叶片103，材料牌号为GH4169，最大外侧直径尺寸：Φ530mm；最小内侧流道108直径尺寸：Φ460mm；零件厚度为30mm；叶片
103的最大弦宽尺寸：40mm；叶片103总数：130片；相邻叶片103最小间距：9mm；内环101、外环
102厚度为2～5mm；叶片103长度30～33mm；叶片103与内外流道108转接圆角105R＝1.5mm；
相邻叶片103之间形成型腔104。

[0053] 一种闭式整体叶环叶片铣削接刀控制方法，包括如下步骤：

[0054] S1、制定整体叶环叶片103铣削的工步流程：进气端109型腔104半精加工→进气端109转接圆角105半精加工→进气端109型腔104精加工→排气端110角向调整加工→排气端
110型腔104半精加工→排气端110转接圆角105半精加工→排气端110型腔104精加工，如图
3所示，本发明的整体叶环叶片103铣削的工步流程实现接刀位置仅1条/型腔；

[0055] S2、选择半精加工余量和角向调整余量：根据闭式整体叶环叶片103为高温合金材料、结构强度较好，加工变形较小，半精加工余量确定为0.1mm，通过二次装夹试验，收集该
装夹系统的角向偏差<2′，零件最大直径530mm，则接刀位置最大偏差为0.15mm，即装夹系统
偏差为0.15mm，角向调整余量大于装夹系统偏差与半精加工余量之和，因此角向调整余量
确定为0.3mm。

[0056] S3、选取刀具，根据相邻叶片103最小间距9mm、叶片103与内外流道108转接圆角105R＝1.5mm，选择标准的Φ6R3直柄球头铣刀进行半精加工，选择标准的Φ5R2.5直柄球头
铣刀和Φ4锥2°锥柄加强球头铣刀进行转接圆角105半精加工，选择Φ3锥4.5°锥柄加强球
头铣刀进行精加工，四把刀具的长度均为57mm，四把刀具的表面均涂有氮化铝钛涂层。

[0057] S4、设计进、排气端叶片103对接加工角向调整方案，具体步骤如下：

[0058] S4.1、完成一个型腔的角向调整工步的加工；

[0059] S4.2、采集加工后型腔的叶背侧111台阶差和叶盆侧112台阶差；

[0060] S4.3、如图7所示，角向调整，当叶背侧111台阶差和叶盆侧112台阶差的差值大于等于0.005mm时，计算角向调整量，角向调整量＝180|A‑B|/πD，式中，A为叶背侧111台阶差，
B叶盆侧112台阶差，D为叶环的直径尺寸，调整方向是朝向台阶差大的一侧；

[0061] S4.4、选择另一个型腔，重复步骤4.1‑步骤4.3，直至叶背侧111台阶差和叶盆侧112台阶差的差值小于0.005mm，或者叶背侧111台阶差和叶盆侧112台阶差相等。

[0062] S5、选取接刀方式，确定搭接段长度，排气端延长刀具轨迹的长度为2.5mm大于精加工刀具半径的1.5倍。

[0063] 选取切削参数：闭式整体叶环叶片103半精铣时选择每层切深为0.1‑0.2mm，刀具每齿进给0.03～0.05mm，切削速度为30～40m/min；闭式整体叶环叶片103精铣时选择每层
切深为0.05‑0.1mm，刀具每齿进给0.03～0.05mm，切削速度为50～60m/min。

[0064] 本发明针对闭式整体叶环零件结构和材料特点，采用闭式整体叶环叶片103铣削工步划分方法、进排气端叶片103对接加工角向调整方法和进排气端叶片103搭接接刀方
法，选择合理的铣刀、加工工步实现闭式整体叶环叶型接刀的有效控制，能够实现接刀位置
少且平滑转接，从而提高了叶片103精铣质量，降低了光整加工的难度和工作量。如图3‑图5
所示，通过对加工工步的合理选择，采用合理的切削区域划分，将接刀位置数量由常规方案
的24条/型腔或12条/型腔减少为1条/型腔；通过设计进、排气端对接加工角向调整加工方
案，保证二次装夹准确对接铣削；通过控制搭接接刀方法，保证接刀位置平滑转接过渡，进、
排气端对接铣接刀台阶尺寸<0.02mm，如图8所示，通过测量进气端加工叶型截面线113与理
论叶型截面线114差值为0.0275mm(如图8中n)，排气端加工叶型截面线113与理论叶型截面
线114差值为0.0117mm(如图8中m)，台阶为0.0158mm，进、排气端对接铣接刀台阶由一个大
圆弧平滑转接过渡。该方法的实施使后续的光整加工时间由640h缩短为80h。目前，已经应
用于高温合金闭式整体叶环零件的制造中，取得了较高的经济效益。

[0065] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本
发明的范围由权利要求及其等同物限定。