CN103990840B - 叶片双向变余量铣削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叶片双向变余量铣削方法，用于解决现有叶片变余量铣削方法精度差的技术问题。技术方案是首先在三维建模软件UG中构建叶片三维模型，在叶片三维模型中将叶片两端面均向叶身方向偏置，得到的两个偏置面分别为叶根边界面和叶尖边界面，再利用截面线放样法确定驱动面，然后确定驱动面上加工路径，采用杠杆余量微调方法确定每条加工路径余量，最后按照已定的余量对叶片进行循环加工，提高了叶片加工的精度。该方法加工长度约为70mm的叶片时，其表面公差能够控制在0.06-0.1mm之内。

Description

叶片双向变余量铣削方法

技术领域

本发明涉及一种叶片变余量铣削方法，特别是涉及一种叶片双向变余量铣削方法。

背景技术

叶片是航空发动机的核心部件之一，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。在航空发动机制造中各类叶片所占比重约为30％。航空发动机的性能在很大程度上取决于叶片型面的设计和制造水平。叶片在发动机中的功能使命及其工作特点，决定了叶片是发动机中形状复杂、尺寸跨度大，受力恶劣、承载最大的零件。它在高温、高压和高速状态下运行，通常需要合金化程度很高的钛合金、铝合金以及高温合金等材料制成。为满足发动机高性能、工作安全性、可靠性以及寿命的要求，叶片必须具有精确的尺寸、准确的形状和严格的表面完整性。航空发动机叶片高质量精密加工技术是航空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。

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纵向铣削方法和螺旋铣削方法。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对称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差，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。

文献“公开号是CN102873384A的中国发明专利”公开了一种难加工材料薄壁叶片行间变余量精密铣削加工方法。该方法进行行间变余量的加工，在一定程度上能够保证叶片的截面位置度、表面轮廓度和扭转变形误差要求，特别是在叶片长度相对较短，小于等于50mm长时，刚性较好，加工误差可以控制在0.06-0.1mm以内。但是当叶片长度大于50mm时，加工误差会超过0.1mm，例如长度约为70mm时，加工误差甚至达到了0.15mm。造成误差变大的一个主要原因是当叶片在进行加工之前的装夹时，之前的加工方法(例如钻顶尖孔，车轴，铣轴颈)容易导致叶片存在一定的内应力，以根部轴颈为基准，叶尖轴颈的跳动量可能会达到0.1mm以上。当将该类叶片装夹到机床夹具中时，叶片被强制发生了一定的变形，在该种状态下以理论值进行加工，当卸下夹具后因为叶片装夹内应力的消除，叶片会产生一定的回弹。测量该种状态下的精加工叶片会发现叶片位置度、轮廓度和扭转变形等极易超出误差要求，出现叶尖朝叶盆或叶背侧弯曲的问题。

发明内容

为了克服现有叶片变余量铣削方法精度差的不足，本发明提供一种叶片双向变余量铣削方法。该方法首先在三维建模软件UG中构建叶片三维模型，在叶片三维模型中将叶片两端面均向叶身方向偏置，得到的两个偏置面分别为叶根边界面和叶尖边界面，再利用截面线放样法确定驱动面，然后确定驱动面上加工路径，采用杠杆余量微调方法确定每条加工路径余量，最后按照已定的余量对叶片进行循环加工，可以提高叶片加工的精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种叶片双向变余量铣削方法，其特点是采用以下步骤：

步骤一、在三维建模软件UG中构建叶片三维模型，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2和叶盆曲面4作为辅助面；

步骤二、在构建的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根边界面5和叶尖边界面6；

步骤三、利用叶根边界面5和叶尖边界面6裁剪叶背曲面2，得到在叶根边界面5和叶尖边界面6之间的叶背曲面2，提取叶背曲面2的等u参数线，分别利用叶背曲面2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第Ⅰ驱动面A和第Ⅱ驱动面B；利用叶根边界面5和叶尖边界面6裁剪叶盆曲面4，得到叶盆曲面4在叶根边界面5和叶尖边界面6之间的曲面叶盆曲面4，提取叶盆曲面4的等u参数线，分别利用叶盆曲面4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第Ⅲ驱动面C和第Ⅳ驱动面D，第Ⅰ驱动面A和第Ⅳ驱动曲面D在叶身中轴线沿v向同一侧；

所述叶背曲面2的等u参数线数量为2N；所述叶盆曲面4的等u参数线数量为2N。

步骤四、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d(u_s)，以最靠近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d(u_e)，在行间变化的基础上，加行杠杆余量微调，其单行起点余量d(v_s)，单行中点余量d(v_m)，单行终点余量d(v_e)。则仅由行间变化引起的第i条加工路径的切削行余量d(u_i)为

$d\left(u_i\right)=d\left(u_s\right)+i\×\frac{d\left(u_e\right)-d\left(u_s\right)}{N-1},(i\∈\[0,N-1\])$

设每行起点参数P_is(u_i，v_s)，中点参数P_im(u_i，v_m)，终点参数P_ie(u_i，v_e)则在加行杠杆余量微调以后，每行各点由于余量微调产生的切削余量d(v_j)为

$d\left(v_j\right)=\left\{\begin{array}{cc}d\left(v_s\right)+\frac{v_j-v_s}{v_m-v_s}\[d\left(v_m\right)-d\left(v_s\right)\]& v_j\∈\[v_s,v_m\]\\ d\left(v_m\right)+\frac{v_j-v_m}{v_e-v_m}\[d\left(v_e\right)-d\left(v_m\right)\]& v_j\∈\[v_m,v_e\]\end{array}\right.$

这样，在第i条路径的第j个参数点P_ij的总切削余量d(u_i，v_j)为：

$f(u_i,v_j)=d\left(u_i\right)+d\left(v_j\right)=\left\{\begin{array}{c}d\left(u_s\right)+i\×\frac{d\left(u_e\right)-d\left(u_s\right)}{N-1}+d\left(v_s\right)+\frac{v_j-v_s}{v_m-v_s}\[d\left(v_m\right)-d\left(v_s\right)\](i\∈\[0,N-1\];v_j\∈\[v_s,v_m\])\\ d\left(u_s\right)+i\×\frac{d\left(u_e\right)-d\left(u_s\right)}{N-1}+d\left(v_m\right)+\frac{v_j-v_m}{v_e-v_m}\[d\left(v_e\right)-d\left(v_m\right)\](i\∈\[0,N-1\];v_j\∈\[v_m,v_e\])\end{array}\right.$

步骤五、按照步骤四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：首先加工第Ⅰ驱动面A上第i条加工路径，之后加工第Ⅳ驱动面D上第i条加工路径，再加工第Ⅲ驱动面C上第i条加工路径，最后加工第Ⅱ驱动面B上第i条加工路径，完成一个加工循环。

本发明的有益效果是：首先在三维建模软件UG中构建叶片三维模型，在叶片三维模型中将叶片两端面均向叶身方向偏置，得到的两个偏置面分别为叶根边界面和叶尖边界面，再利用截面线放样法确定驱动面，然后确定驱动面上加工路径，采用杠杆余量微调方法确定每条加工路径余量，最后按照已定的余量对叶片进行循环加工，可以提高叶片加工的精度。

(a)通过步骤三将叶片铣削区域分为四部分进行加工，有利于提高叶片的截面位置度和表面轮廓度。采用纵向对称铣削方式，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和表面轮廓度的影响。

(b)通过步骤四有效地减小了叶片精加工之前的内应力引起的叶片弯曲变形误差。叶片精加工之前的一系列的工序会造成叶片发生一定程度的弯曲变形，采用行间变余量的基础上加行杠杆余量微调的双向变化余量设计方式，可根据具体加工情况设定合适的加工参数适当补偿该类型的变形，从而有利于提高叶片的表面轮廓度。本发明尤其适用于叶片长度在50-70mm的叶片。

(c)通过步骤四有效地减小了叶片数控加工中的弯曲变形、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。本发明提出的加工余量双向变化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，在行间变化的基础上加行杠杆余量微调，可以对表面质量进行更加全面的控制，有效解决加工过程中的弯曲变形大，截面位置度、表面轮廓精度差等问题，实现了难加工材料薄壁叶片高效精密数控加工。通过此方法加工长度约为70mm的叶片时，其表面公差可以控制在0.06-0.1mm之内。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明叶片双向变余量铣削方法的流程图。

图2是本发明叶片双向变余量铣削方法所铣削叶片的结构示意图。

图3是本发明叶片双向变余量铣削方法所划定叶片边界面示意图。

图4是本发明叶片双向变余量铣削方法驱动曲面示意图。A-第Ⅰ驱动面；B-第Ⅱ驱动面；C-第Ⅲ驱动面；D-第Ⅳ驱动面

图5是本发明叶片双向变余量铣削方法叶背切削行示意图。

图6是本发明叶片双向变余量铣削方法所叶盆切削行示意图。

图中，1-进气边；2-叶背曲面；3-排气边；4-叶盆曲面；5-叶根边界面；6-叶尖边界面；A-第Ⅰ驱动面；B-第Ⅱ驱动面；C-第Ⅲ驱动面；D-第Ⅳ驱动面；A1-第Ⅰ驱动面第一条轨迹；A2-第Ⅰ驱动面第二条轨迹；A3-第Ⅰ驱动面第三条轨迹；B1-第Ⅱ驱动面第一条轨迹；B2-第Ⅱ驱动面第二条轨迹；B3-第Ⅱ驱动面第三条轨迹；C1-第Ⅲ驱动面第一条轨迹；C2-第Ⅲ驱动面第二条轨迹；C3-第Ⅲ驱动面第三条轨迹；D1-第Ⅳ驱动面第一条轨迹；D2-第Ⅳ驱动面第二条轨迹；D3-第Ⅳ驱动面第三条轨迹。

具体实施方式

以下实施例参照图1-6。

以某航空发动机薄壁导向叶片为例，叶片尺寸为：60mm×25mm×1.5mm，刀具直径为6mm的球头刀。首先构造加工的叶片的零件面和辅助面然后划定加工驱动面边界，构造加工驱动面，据此计算切削加工余量，规划走刀路径，生成刀位轨迹，最后按上述刀位轨迹在四坐标数控机床上实施加工。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°。具体步骤如下：

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UG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2和叶盆曲面4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根边界面5和叶尖边界面6；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。

(1)叶根边界面5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5。

(2)叶尖边界面6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6。

步骤3：利用叶根边界面5和叶尖边界面6裁剪叶背曲面，得到叶背曲面在叶根边界面5和叶尖边界面6之间的曲面叶背曲面2，提取叶背曲面2的等u参数线，叶背曲面2的等u参数线数量为60，分别利用叶背曲面2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第Ⅰ驱动面A和第Ⅱ驱动面B；利用叶根边界面5和叶尖边界面6裁剪叶盆曲面4，得到叶盆曲面4在叶根边界面5和叶尖边界面6之间的曲面叶盆曲面，提取曲面叶盆曲面4的等u参数线，叶盆曲面4的等u参数线数量为60，分别利用叶盆曲面4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第Ⅲ驱动面C和第Ⅳ驱动面D，第Ⅰ驱动面A和第Ⅳ驱动面D在叶身中轴线沿v向同一侧。

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，该方法沿叶片进气边1、排气边3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。

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)；因为每行参数u相同，各行起点、中点和终点参数v相同，所以设单行起点参数P_is(u_i，0)，中点参数P_im(u_i，10)，终点参数P_ie(u_i，20)，单行起点余量d(v_s)＝-0.02mm，单行中点余量d(v_m)＝-0.03mm，单行终点余量d(v_e)＝0.01mm，则仅由行间变化引起的第i条加工路径的切削行余量d_i为

$d\left(u_i\right)=d\left(u_s\right)+i\×\frac{d\left(u_e\right)-d\left(u_s\right)}{N-1},(i\∈\[0,N-1\])=0.02-0.004i,(i\∈\[0,29\])$

则在加行杠杆余量微调以后，每行第j个参数点由于余量微调产生的切削余量d(v_j)为

$d\left(v_j\right)=\left\{\begin{array}{cc}d\left(v_s\right)+\frac{v_j-v_s}{v_m-v_s}\[d\left(v_m\right)-d\left(v_s\right)\]=-0.02-0.001v_j& v_j\∈\[0,10\]\\ d\left(v_m\right)+\frac{v_j-v_m}{v_e-v_m}\[d\left(v_e\right)-d\left(v_m\right)\]=-0.07+0.004v_j& v_j\∈\[10,20\]\end{array}\right.$

因此，在在双向变化中，第i条加工路径的第j个刀位点的切削余量为

$d(u_i,v_j)=d\left(u_i\right)+d\left(v_j\right)=\left\{\begin{array}{cc}-0.004i-0.001j& (i\∈\[0,29\]v_j\∈\[0,10\])\\ -0.05-0.004i+0.004j& (i\∈\[0,29\]v_j\∈\[10,20\])\end{array}\right.$

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。

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：首先加工第Ⅰ驱动面A上第i条加工路径，之后工作台旋转180°，加工第Ⅳ驱动面D上第i条加工路径，再加工第Ⅲ驱动面C上第i条加工路径，最后工作台旋转180°，加工第Ⅱ驱动面B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。以各区域前三条轨迹为例，参照附图5、6，切削过程为：第Ⅰ驱动面第一条轨迹A1→第Ⅳ驱动面第一条轨迹D1→第Ⅲ驱动面第一条轨迹C1→第Ⅱ驱动面第一条轨迹B1→第Ⅰ驱动面第二条轨迹A2→第Ⅳ驱动面第二条轨迹D2→第Ⅲ驱动面第二条轨迹C2→第Ⅱ驱动面第二条轨迹B2→第Ⅰ驱动面第三条轨迹A3→第Ⅳ驱动面第三条轨迹D3→第Ⅲ驱动面第三条轨迹C3→第Ⅱ驱动面第三条轨迹B3。走完所有加工路径即完成整个叶片型面的加工。

Claims (1)

1.一种叶片双向变余量铣削方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、在三维建模软件UG中构建叶片三维模型，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(2)和叶盆曲面(4)作为辅助面；

步骤二、在构建的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根边界面(5)和叶尖边界面(6)；

步骤三、利用叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)裁剪叶背曲面(2)，得到在叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)之间的叶背曲面(2)，提取叶背曲面(2)的等u参数线，分别利用叶背曲面(2)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第Ⅰ驱动面A和第Ⅱ驱动面B；利用叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)裁剪叶盆曲面(4)，得到叶盆曲面(4)在叶根边界面(5)和叶尖边界面(6)之间的曲面叶盆曲面(4)，提取叶盆曲面(4)的等u参数线，分别利用叶盆曲面(4)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第Ⅲ驱动面C和第Ⅳ驱动面D，第Ⅰ驱动面A和第Ⅳ驱动曲面D在叶身中轴线沿v向同一侧；

所述叶背曲面(2)的等u参数线数量为2N；所述叶盆曲面(4)的等u参数线数量为2N；

步骤四、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d(u_s)，以最靠近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d(u_e)，在行间变化的基础上，加行杠杆余量微调，其单行起点余量d(v_s)，单行中点余量d(v_m)，单行终点余量d(v_e)；则仅由行间变化引起的第i条加工路径的切削行余量d(u_i)为

$d\left(u_i\right)=d\left(u_s\right)+i\×\frac{d\left(u_e\right)-d\left(u_s\right)}{N-1},(i\∈\[0,N-1\])$

设每行起点参数P_is(u_i，v_s)，中点参数P_im(u_i，v_m)，终点参数P_ie(u_i，v_e)则在加行杠杆余量微调以后，每行各点由于余量微调产生的切削余量d(v_j)为

$d\left(v_j\right)=\left\{\begin{array}{cc}d\left(v_s\right)+\frac{v_j-v_s}{v_m-v_s}\[d\left(v_m\right)-d\left(v_s\right)\]& v_j\∈\[v_s,v_m\]\\ d\left(v_m\right)+\frac{v_j-v_m}{v_e-v_m}\[d\left(v_e\right)-d\left(v_m\right)\]& v_j\∈\[v_m,v_e\]\end{array}\right.$

这样，在第i条路径的第j个参数点P_ij的总切削余量d(u_i，v_j)为：

$d(u_i,v_j)=d\left(u_i\right)+d\left(v_j\right)=\left\{\begin{array}{cc}d\left(u_s\right)+i\×\frac{d\left(u_e\right)-d\left(u_s\right)}{N-1}+d\left(v_s\right)+\frac{v_j-v_s}{v_m-v_s}\[d\left(v_m\right)-d\left(v_s\right)\]& (i\∈\[0,N-1\];v_j\∈\[v_s,v_m\])\\ d\left(u_s\right)+i\×\frac{d\left(u_e\right)-d\left(u_s\right)}{N-1}+d\left(v_m\right)+\frac{v_j-v_m}{v_e-v_m}\[d\left(v_e\right)-d\left(v_m\right)\]& (i\∈\[0,N-1\];v_j\∈\[v_m,v_e\])\end{array}\right.$

步骤五、按照步骤四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：首先加工第Ⅰ驱动面A上第i条加工路径，之后加工第Ⅳ驱动面D上第i条加工路径，再加工第Ⅲ驱动面C上第i条加工路径，最后加工第Ⅱ驱动面B上第i条加工路径，完成一个加工循环。