CN102862035B - 薄壁叶片分区域对称精密切削加工方法及其专用夹具 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种薄壁叶片分区域对称精密切削加工方法及其专用夹具，首先对叶片型面进行粗加工，其次对叶片型面进行区域划分，最后将叶片装夹到专用夹具，按两两对称的方式，由靠近叶片前后橼的部分至叶背和叶盆的中间部分依次加工所有子区域。本发明一次装夹同时完成叶背和叶盆型面的切削加工，可提高定位精度和加工效率；交替对称完成叶片型面各个子区域的半精加工和精加工，可有效抑制加工过程中的扭曲变形，提高加工精度；叶片前后橼部分的加工余量首先被切除，利用叶片中部加工余量的支承作用，可有效避免加工过程中前后橼部分的让刀变形现象。

Description

薄壁叶片分区域对称精密切削加工方法及其专用夹具

技术领域

本发明涉及精密、超精密切削加工技术领域，具体为一种薄壁叶片分区域对称精密切削加工方法及其专用夹具，主要解决航空发动机薄壁叶片的精加工变形控制问题。

背景技术

薄壁叶片等复杂薄壁结构零件得到越来越广泛的应用，实现此类零件的高效精密数控加工技术已经成为先进制造企业核心竞争力的重要表现形式之一。

随着设计方法的改进，利用先进的主轴技术及无间隙的线性滚柱导轨技术等，现代数控加工中心本体具有很高的刚度和精确的运动控制，能够满足大部分加工任务的需求。以Mikron UCP 1350为例，该机床的定位精度分别为（允差mm）：X轴是0.010，Y轴是0.008，Z轴是0.008，C轴是8″，A轴是6″。但是，在切削加工过程中，由于切削力、残余应力等导致的加工变形误差却不是仅仅通过改进机床结构设计就可以完全避免的，从而在很大程度上限制了高精度数控机床的应用。这些矛盾在切削加工薄壁零件的过程中尤为显著。

传统的叶片单面铣削工艺，分别在半精加工和精加工工序中，或先加工叶背型面，或先加工叶盆型面。可以发现，采取这种走刀方式，由于叶背、叶盆型面铣削表层残余应力的非平衡状态，薄壁叶片呈现了明显的弯扭变形现象。往往直接导致叶尖和前后橼等局部区域精加工余量的不足，即所谓的“缺肉”现象，同时还将严重影响叶片的轮廓精度。

针对现有的薄壁叶片加工工艺的缺点，很有必要提出一种全新的加工工艺方法，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、超薄叶片精密切削加工技术的迫切需求。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种薄壁叶片分区域对称精密切削加工方法及其专用夹具，该方法以两两对称的方式，交替完成叶背、叶盆型面上各个子区域的半精加工和精加工，从而达到抑制薄壁叶片精加工扭曲变形的目的。

技术方案

本发明沿叶片的弦线方向将叶背型面、叶盆型面划分成若干个对称的子区域，并交替完成各个子区域的半精加工和精加工工序。所有子区域的加工顺序按两两对称的方式由靠近前后橼的部分至叶背和叶盆的中间部分。对于叶背、叶盆型面上处于对称位置的某两个子区域而言，首先半精加工叶背型面上的子区域；然后，工作台旋转180°，半精加工叶盆型面上相对应的子区域；紧接着，精加工叶盆型面上的子区域；最后，工作台旋转180°，完成叶背型面上的子区域的精加工。

本发明的技术方案为：

所述一种薄壁叶片分区域对称精密切削加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对叶片型面进行粗加工，并将粗加工后的叶片置于温度条件为45℃±5℃的环境下10-12h；

步骤2：对叶片型面进行区域划分：

步骤2.1：将叶片的轮廓边界分别垂直投影到平面Q₁和平面Q₂上，所述平面Q₁和平面Q₂分别位于叶背外侧和叶盆外侧，且平面Q₁和平面Q₂均平行于由叶片两端弦线形成的平面；

步骤2.2：将叶片两端弦线在平面Q₁和平面Q₂上的投影线段均等分为n段，其中L/10≤n≤L/5，n为大于1的正整数，L=max{L1，L2}，L1为叶片一端弦线在平面Q₁的投影线段的长度，L2为叶片另一端弦线在平面Q₁的投影线段的长度；将平面Q₁上两条投影线段的等分点对应连接，从而将叶片在平面Q₁上的投影轮廓区域划分为n个子区域，从前橼到后橼依次编号为g_i到g_i+n；将平面Q₂上两条投影线段的等分点对应连接，从而将叶片在平面Q₂上的投影轮廓区域划分为n个子区域，从前橼到后橼依次编号为h_i到h_i+n；

步骤3：将叶片装夹到专用夹具，旋转叶片使得叶片叶盆侧的后橼贴专用夹具中的定位柱的柱面；按两两对称的方式，由靠近叶片前后橼的部分至叶背和叶盆的中间部分依次加工所有子区域。

所述一种薄壁叶片分区域对称精密切削加工方法，其特征在于：叶背型面和叶盆型面上两两对称的两个子区域为一组子区域；对于每组子区域，先半精加工叶背型面上的子区域，然后半精加工叶盆型面上相对应的子区域，接着精加工叶盆型面上的子区域，最后完成叶背型面上的子区域的精加工。

所述一种薄壁叶片分区域对称精密切削加工的专用夹具，其特征在于：包括底座、定位柱和立柱，底座固定在机床工作台上，定位柱竖直插入底座的销孔中，用于调整叶片的空间方位，两个立柱固定在底座上，其中一个立柱固定可调叶片的细长轴部分，另一个立柱固定可调叶片的鼓形部分。

有益效果

采用本发明所提出的薄壁叶片分区域对称精密切削加工工艺新方法，具有以下三个方面的突出优点：

1）一次装夹同时完成叶背和叶盆型面的切削加工，可提高定位精度和加工效率。

2）交替对称完成叶片型面各个子区域的半精加工和精加工，可有效抑制加工过程中的扭曲变形，提高加工精度。

3）叶片前后橼部分的加工余量首先被切除，利用叶片中部加工余量的支承作用，可有效避免加工过程中前后橼部分的让刀变形现象。

附图说明

图1：航空发动机可调叶片示意图；

图2：可调叶片分区域对称精密切削加工工艺流程；

图3：可调叶片毛坯的粗铣外形；

图4：粗加工叶背型面的刀具轨迹；

图5：叶片专用夹具；

图6：叶片型面的加工区域划分示意图；

图7：精加工叶背型面的子区域。

其中：1-前橼、2-后橼、3-叶背型面、4-叶盆型面、5-叶片一端的细长轴部分、6-叶片另一端的鼓形部分、7-细长轴端夹紧块、8-细长轴端立柱、9-鼓形部分夹紧块、10-鼓形部分立柱、11-底座、12-工作台、13-夹紧块紧固螺钉、14-底座紧固螺钉、15-定位柱；

图6中Q₁、Q₂为投影平面，19、20、21……30为Q₁平面内的子区域编号，31、32、33……42为Q₂平面内的子区域编号。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例以图1所示的航空发动机薄壁可调叶片为例，该航空发动机可调叶片由前橼1、后橼2、叶背型面3、叶盆型面4组成，叶片两端的细长轴部分5和鼓形部分6分别与发动机的机匣和内环相连接。可调叶片在航空发动机中的主要作用是调整进气角度和气体流量。该薄壁可调叶片分区域对称精密切削加工工艺的流程如图2中所示。

根据所需加工的航空发动机薄壁可调叶片的大小选取适当尺寸的方形毛坯，便于前期加工装夹定位、使材料去除量较小和提高加工效率。而后用线切割机床割出叶片的大致形状，去除毛坯上大量的余量。一般线切割的加工余量为1mm~2mm。再采用粗铣的加工方法，用大尺寸的球头铣刀加工叶片型面，去除叶片外形上大部分的余量，粗铣加工余量一般为1mm~1.5mm。最后将粗加工后的叶片置于温度条件为45℃±5℃的环境下10-12h，释放前期加工过程中产生的内应力。

本实施例中，可调叶片锻造毛坯的尺寸为328mm×92mm×56mm，粗铣叶片两侧的四个缺口部分，并在两端数控钻顶尖孔。经过粗铣后的毛坯外形如图3中所示。

在普通三坐标数控铣床上粗铣叶背、叶盆型面，余量1mm，既满足加工要求又节约了加工成本。采用传统的单面加工工艺，即先加工叶背型面，后加工叶盆型面。应用现有的CAM软件如UG、Cimatron等可以方便地生成粗加工的刀具轨迹。图4给出的是粗加工叶背型面3时的刀具轨迹。

以顶尖孔及平台端头为基准粗车细长轴部分5和鼓形部分6。

按材料要求对粗加工后的可调叶片进行人工时效处理。

按图纸尺寸精车叶片两端的细长轴部分5和鼓形部分6。

接下来对叶片进行分区域对称半精加工和精加工，其加工余量分别为0.3mm-0.5mm及0.03mm-0.05mm。规划可调叶片型面的半精、精加工刀具轨迹时，采用面驱动方式进行刀轨生成。加工前根据叶片的实际形状、尺寸大小及精度要求等，对叶片型面进行划分区域，具体划分方法为：

首先，将叶片的轮廓边界分别垂直投影到平面Q₁和平面Q₂上，所述平面Q₁和平面Q₂分别位于叶背外侧和叶盆外侧，且平面Q₁和平面Q₂均平行于由叶片两端弦线形成的平面。

其次，将叶片两端弦线在平面Q₁和平面Q₂上的投影线段均等分为n段，其中L/10≤n≤L/5，n为大于1的正整数，L=max{L1，L2}，L1为叶片一端弦线在平面Q₁的投影线段的长度，L2为叶片另一端弦线在平面Q₁的投影线段的长度，L1和L2的单位为mm；将平面Q₁上两条投影线段的等分点对应连接，从而将叶片在平面Q₁上的投影轮廓区域划分为n个子区域，从前橼到后橼依次编号为g_i到g_i+n；将平面Q₂上两条投影线段的等分点对应连接，从而将叶片在平面Q₂上的投影轮廓区域划分为n个子区域，从前橼到后橼依次编号为h_i到h_i+n。这些子区域分别作为生成数控加工刀具轨迹时的驱动面。

本实施例中，叶片两端弦线在平面Q₁和平面Q₂上的投影线段长度分别为76.212mm和52.736mm，因此，取L=max{76.212，52.736}＝76.212mm，则划分的子区域个数n应满足：76.212/10≤n≤76.212/5，即7.6212≤n≤15.2424。所以，可以取n为12，即将叶片轮廓投影区域划分成12个对称的子区域。沿相应叶片的弦线方向将平面Q₁和Q₂上的轮廓投影区域划分成12个对称的子区域，位于叶背一侧的平面Q₁上的子区域的编号从19到30，位于叶盆一侧的平面Q₂上的子区域的编号从31到42。如图6中所示，这些子区域分别作为生成数控加工刀具轨迹时的驱动面。

再次，将叶片装夹到专用夹具上，如图5所示，专用夹具包括底座11、定位柱15和立柱，底座通过螺钉固定在机床工作台12上，并随工作台一起旋转。定位柱竖直插入底座的销孔中，用于调整叶片的空间方位。细长轴端夹紧块7和细长轴端立柱8用于固定可调叶片的细长轴部分5，并用螺钉紧固；鼓形部分夹紧块9和鼓形部分立柱10用于固定可调叶片的鼓形部分6，并用螺钉紧固。在图5中，刀具16表示了四坐标数控加工中心的主轴方向与夹具、可调叶片之间的相对位置关系。

固定叶片的细长轴和鼓形部分，可以限制叶片的4个自由度（2个平移自由度 2个转动自由度X、Z），叶片细长轴中的阶梯轴端面可以限制1个平移自由度定位柱的柱面与叶片叶盆后橼相切，限制叶片的一个绕轴转动的自由度Y。

叶片在专用夹具上装夹固定后，按照前述划分的子区域，按照两两对称的方式，由靠近叶片前后橼的部分至叶背和叶盆的中间部分依次加工所有子区域。即先加工叶背型面上前橼处的子区域g_i和叶盆型面上前橼处的子区域h_i、叶背型面上后橼处的子区域g_i+n和叶盆型面上后橼处的子区域h_i+n；其次加工子区域g_i+n-1和h_i+n-1、g_i+1和h_i+1、g_i+n-2和h_i+n-2、g_i+2和h_i+2、g_i+n-3和h_i+n-3、g_i+3和h_i+3、、g_i+n-4和h_i+n-4、g_i+4和h_i+4……；最后加工叶背型面和叶盆型面中部的子区域g_i+n/2和h_i+n/2（n为偶数时）或g_i+(n-1)/2和h_i+(n-1)/2（n为奇数时）。至此，所有子区域均被加工到。

对于叶背、叶盆型面上处于对称位置的两个子区域而言，以叶背型面上的子区域g_i+k和叶盆型面上的子区域h_i+k为例，其交替对称半精加工和精加工的过程是：半精加工叶背型面上的子区域g_i+k；工作台旋转180°，半精加工叶盆型面上相对应的子区域h_i+k；精加工叶盆型面上的子区域h_i+k；工作台旋转180°，完成叶背型面上的子区域g_i+k的精加工。

对于加工完的叶片，在三坐标测量机上进行叶片型面加工尺寸检测，如果测得的叶片型面参数-尺寸及形位公差等在设计的公差范围之内，则说明加工合格；反之，则不合格。检测方法为：对于叶片型面的精加工而言，主要是保证其型面的精度满足要求，因此，作为精加工的型面检测主要是检测精加工后的型面是否在公差范围之内。由于叶片型面为自由曲面，设计时给出t（t为等高线条数）条等高线，对任意一条等高线，给出m_i（m_i为第i条等高线上的设计点数，i=1…t）个设计点。检测方法一般采用等高线法检测。首先将叶片曲面分成前橼、后橼、叶盘、叶背四个区域。沿着任意一条等高线检测时，对每一块区域根据曲率的大小适当选取一定数量的检测点（曲率大处选择检测点密集），检测这些点精加工后的位置是否在图纸要求的公差范围之内，如果所有检测点都合格，则说明该区域的自由曲面加工尺寸合格。对所有n条等高线执行类似的操作，若所有区域的自由曲面加工尺寸均合格，则该叶片的型面加工尺寸合格；反之，则不合格。

加工合格的零件，进行抛光处理，可以去除球头刀点铣造成的微观波峰波谷，实现要求的表面粗糙度及优化表面完整性。一般抛光余量为0.02mm。根据设计图纸的要求，按照光整要求（Ra值大小），选择合理的抛光参数。抛光完成后需要进行振动光饰以去除抛光时留下的抛光痕迹。

Claims (2)

1.一种薄壁叶片分区域对称精密切削加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对叶片型面进行粗加工，并将粗加工后的叶片置于温度条件为45℃±5℃的环境下10-12h；

步骤2：对叶片型面进行区域划分：

步骤2.1：将叶片的轮廓边界分别垂直投影到平面Q₁和平面Q₂上，所述平面Q₁和平面Q₂分别位于叶背外侧和叶盆外侧，且平面Q₁和平面Q₂均平行于由叶片两端弦线形成的平面；

步骤2.2：将叶片两端弦线在平面Q₁和平面Q₂上的投影线段均等分为n段，其中L/10≤n≤L/5，n为大于1的正整数，L＝max{L1，L2}，L1为叶片一端弦线在平面Q₁的投影线段的长度，L2为叶片另一端弦线在平面Q₁的投影线段的长度；将平面Q₁上两条投影线段的等分点对应连接，从而将叶片在平面Q₁上的投影轮廓区域划分为n个子区域，从前橼到后橼依次编号为g_i到g_i+n；将平面Q₂上两条投影线段的等分点对应连接，从而将叶片在平面Q₂上的投影轮廓区域划分为n个子区域，从前橼到后橼依次编号为h_i到h_i+n；

步骤3：将叶片装夹到专用夹具，旋转叶片使得叶片叶盆侧的后橼贴专用夹具中的定位柱的柱面；按两两对称的方式，由靠近叶片前后橼的部分至叶背和叶盆的中间部分依次加工所有子区域；所述专用夹具包括底座、定位柱和立柱，底座固定在机床工作台上，定位柱竖直插入底座的销孔中，用于调整叶片的空间方位，两个立柱固定在底座上，其中一个立柱固定可调叶片的细长轴部分，另一个立柱固定可调叶片的鼓形部分。

2.根据权利要求1所述的一种薄壁叶片分区域对称精密切削加工方法，其特征在于：叶背型面和叶盆型面上两两对称的两个子区域为一组子区域；对于每组子区域，先半精加工叶背型面上的子区域，然后半精加工叶盆型面上相对应的子区域，接着精加工叶盆型面上的子区域，最后完成叶背型面上的子区域的精加工。