CN104440464A - 一种利用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，属于叶片加工技术领域。包括步骤一：选择叶片叶盆、叶背的磨削方式及确定叶片的安装位置；步骤二：根据叶片的安装位置对叶片进行单端悬臂装夹；步骤三：通过双主轴对称加工的三轴联动数控程序实现砂轮的运动时间一致；步骤四：完成叶片叶盆、叶背的双主轴对称悬臂磨削加工。本发明利用机床三轴联动具有较高的插补精度和移动速度，提高砂轮对叶片型面的包络精度和效率，并且降低了叶片型面加工对机床多轴联动的要求。

Description

一种利用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法

技术领域

本发明涉及一种利用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，属于叶片加工技术领域。

背景技术

目前，航空发动机叶片的叶盆、叶背一般采用具有单主轴系统的数控机床进行加工，加工过程中主轴和刀具系统一般采用四轴联动、五轴联动或者更多轴联动插补运动对叶片型面进行加工，叶片在加工过程中只受到一个刀具的作用力，而且，为了提高在加工过程中的稳定性，叶片一般采用双端固定安装或者在叶片型面上进行支撑。

上述加工方法至少存在以下缺点：

1)、由于数控机床的插补精度、动态刚性和运动速度都会随着联动轴数的增加而相应降低，因此，在加工叶片过程中，参与驱动单个主轴系统和刀具的机床联动轴数越多，刀具的包络精度和效率就会越低。

2)、叶片的双端固定安装或在叶片型面上进行辅助支撑都是一种装夹过定位，都会在叶片中产生相应的装夹内应力，导致叶片产生装夹变形，当叶片加工完成后装夹应力释放，叶片的装夹变形得到恢复，从而使叶片丧失了已有的尺寸精度。

3)、叶片属于典型的弱刚性薄壁零件，在加工过程中只受到一个刀具加工力的作用，叶片就会产生相应的变形，虽然高速磨削加工通过减小加工参数，达到减小加工变形的目的，但是，减小磨削参数势必会限制磨削效率的提高。

发明内容

本发明为了解决现有磨削加工方法中，叶片变形大，以及高速磨削加工过程中加工效率低的问题，提供了一种用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，具体步骤如下：

步骤一：选择叶片叶盆、叶背的磨削方式及确定叶片的安装位置

根据机床的结构类型、运动方式、叶片的结构形式及机床两个主轴系统的位置，确定叶片的磨削方式，并选择叶片在机床工作台上的相对安装位置。

步骤二：根据叶片的安装位置对叶片进行单端悬臂装夹；

确定好叶片的磨削方式以及安装位置后，通过单端夹持叶片的榫头或安装基准面将叶片固安在机床上，并使叶身型面部分在加工过程中完全处于悬臂状态。

步骤三：通过双主轴对称加工的三轴联动数控程序实现砂轮的运动时间一致；

将叶片装夹固定后，选取适合叶片型面磨削加工的走刀方式和轨迹分别对两个主轴系统进行三轴联动数控程序编制，通过数控程序分别控制两个砂轮的运动路径和进给速度，并使两个砂轮同时对叶片的叶盆、叶背的对应区域进行磨削加工。

具体过程如下：

1)、将叶盆和叶背分别划分成对应区域，形成砂轮的走刀方向和运动轨迹；

将叶片型面的叶盆和叶背沿长度方向或者宽度方向划分为n个对应的区域，每个区域内分别形成一条对应的砂轮运动轨迹，n的数值根据叶片型面的设计要求和磨削工艺条件来确定，并分别对应砂轮在叶背的走刀方向和轨迹以及砂轮在叶盆的走刀方向和轨迹；两个砂轮在叶盆和叶背对应的区域内分别沿一条运动轨迹运动；

2)、设定两个砂轮的进给速度，达到砂轮的运动时间一致；

两个砂轮沿叶盆和叶背对应对称区域进行运动，根据砂轮与叶片型面的接触弧长，调整两个砂轮的进给速度，保持两个砂轮在对应运动轨迹进行磨削的运动时间保持一致，从而保证两个砂轮在加工叶片叶盆、叶背时的区域是实时对应的。

步骤四：完成叶片叶盆、叶背的双主轴对称悬臂磨削加工；

两个砂轮在独立的主轴系统的驱动下高速旋转，并按照机床三轴联动插补后形成的特定的砂轮走刀方向和轨迹运动以及相应的进给速度，实现叶片叶盆、叶背的磨削加工。

其中，三轴联动仅指机床三个直线轴的联动；所述的两个砂轮同时对叶片的叶盆、叶背的对应区域进行磨削加工，主要表现在两个砂轮在叶盆、叶背上运动轨迹顺序和走刀方向相同，实时的磨削加工区域相对应。两个主轴和砂轮系统根据叶片的叶盆、叶背的结构特征和选择的砂轮结构形式分别调整与机床的相对安装位置和角度。

所述的砂轮走刀方向，也称为磨削进给方向，是沿叶片的叶尖到叶根之间的往复运动或者单向运动，或者沿叶片前缘到后缘之间的往复运动或者单向运动。

本发明的优点在于：

(1)、一种用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，可以提高叶片叶盆、叶背的加工高精度和加工效率，降低加工成本，为叶片的批量化精密加工提供了一条行之有效的工艺途径。

(2)、一种用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，有效避免了叶片装夹变形的产生，大幅度降低叶片因磨削参数和磨削力过大而产生的变形，提高磨削加工过程的稳定性。

(3)、一种用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，有效抑制磨削过程中叶片的加工振动，提高叶片叶盆、叶背加工的尺寸精度和磨削加工效率。

(4)、一种用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，利用机床三轴联动具有较高的插补精度和移动速度，提高砂轮对叶片型面的包络精度和效率，并且降低了叶片型面加工对机床多轴联动的要求。

附图说明

图1是本发明叶片磨削工艺方法流程框图。

图2是叶片叶盆、叶背的横向磨削示意图；

图3是叶片叶盆、叶背的纵向磨削示意图；

1-安装夹具；2-安装基准块；3-排气边；4-砂轮在叶背的走刀方向和轨迹；5-砂轮；6-叶背；7-叶盆；8-砂轮在叶盆的走刀方向和轨迹；9-进气边；

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种利用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，是关于叶片叶盆、叶背的双主轴对称磨削加工方法，叶片型面单端悬臂安装在具有三轴联动的双主轴数控机床的工作台上，其中，三轴联动是指数控机床的三个直线轴的联动，数控机床具有两个独立的主轴，每一个主轴下固连砂轮，主轴和砂轮组成主轴系统，两个主轴系统分别沿数控机床的三个直线轴进行运动，通过数控程序控制两个主轴同时运动，从而带动砂轮对叶片的叶盆、叶背的对应区域同时进行对称磨削加工；两个砂轮在叶盆、叶背上的运动轨迹顺序和走刀方向均相同，实时的磨削加工区域相对应，直到叶盆和叶背同时加工完成。

本发明利用数控机床的三轴联动插补运动，叶片单端悬臂装夹在数控机床上，使叶片型面完全处于悬臂自由状态，使用数控机床的两套主轴系统对叶片型面的叶盆、叶背同时进行对称磨削加工。下面通过具体实施例，并结合附图对本发明作进一步的详细说明。

一种利用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤一：选择叶片叶盆、叶背的磨削方式及确定叶片的安装位置；

根据数控机床的结构类型、运动方式、叶片的结构形式及数控机床两个主轴系统的位置，选择并确定叶片型面的叶盆和叶背的磨削方式，本发明选取的磨削方式为叶片叶盆、叶背的横向磨削方式和叶片叶盆、叶背的纵向磨削方式。

根据磨削方式确定叶片在数控机床工作台上的相对安装位置，不同形式的叶片型面根据数控机床的实际结构进行相应的调整，保证安装后数控机床的两个主轴系统能同时对同一个叶片型面的叶盆和叶背的对应区域进行对称磨削加工，叶片型面的叶盆和叶背互换位置不受影响，而且任意一个主轴系统能分别完成叶片叶盆、叶背的磨削加工。

步骤二：根据叶片的安装位置对叶片进行单端悬臂装夹；

步骤一中确定好叶片型面的安装位置后，通过单端夹持叶片的榫头或安装基准面将其牢固的安装在数控机床的工作台上，安装方式为台钳、组合压板、螺栓紧固以及其它专用夹具等，保证要加工的叶身型面部分完全处于悬臂自由状态。

如附图2所示，将安装基准块2固定在安装夹具1上，安装基准块2上固定叶片型面，所述的叶片型面包括叶盆7和叶背6，同时叶片型面上还有排气边3和进气边9，两个砂轮5分别固定在2个主轴上，通过主轴运动带动砂轮5的运动。在叶盆7和叶背6上对称开有砂轮5的运动路线，分别对应砂轮在叶背的走刀方向和轨迹4以及砂轮在叶盆的走刀方向和轨迹8；

砂轮走刀方向，也称为磨削进给方向，是沿叶片的叶尖到叶根之间的往复运动或者单向运动，或者是沿叶片前缘到后缘之间的往复运动或者单向运动。

步骤三：通过双主轴对称加工的三轴联动数控程序实现砂轮的运动时间一致；

首先：选取适合叶片型面中叶盆7、叶背6磨削加工的砂轮走刀方式和轨迹，两个主轴系统根据叶片型面的叶盆7、叶背6的结构特征和选择的砂轮5结构形式分别调整与数控机床的相对安装位置和角度。

然后：对两个主轴系统进行三轴联动数控程序编制，通过数控程序分别控制两个砂轮的运动路径和进给速度，并使两个砂轮5同时对叶片的叶盆7、叶背6的对应区域进行磨削加工。具体的叶片对称加工的悬臂磨削加工方法如下：

以叶片型面的叶盆、叶背的横向磨削方式为例：如附图2所示，

1)、将叶盆和叶背分别划分成对应区域，形成砂轮的走刀方向和运动轨迹；

根据叶片型面的结构形式和加工表面质量要求，将叶片型面的叶盆7、叶背6沿长度方向划分为n个对应的区域，每个区域内分别形成一条对应的砂轮运动轨迹，n的数值根据叶片型面的设计要求和磨削工艺条件来确定，并分别对应砂轮在叶背的走刀方向和轨迹4以及砂轮在叶盆的走刀方向和轨迹8；

砂轮在叶背的走刀方向和轨迹4由标号为(1)、(2)、…共n条砂轮运动轨迹组成，加工过程中砂轮5沿相应的运动轨迹运动，通过与叶背6接触而对其进行磨削加工。砂轮在叶盆的走刀方向和轨迹8由标号为①、②、…共n个砂轮运动轨迹组成，加工过程中砂轮5沿相应的运动轨迹运动，通过与叶盆7接触而对其进行磨削加工。

其中，n条运动轨迹中，标号(1)与①对应，(2)与②对应，……直至n条一一对应；

两个砂轮5在叶盆7和叶背6对应的区域内分别沿一条运动轨迹运动。叶盆7、叶背6对应区域的划分是从叶尖到叶根，或者从叶根到叶尖划分；砂轮5的运动轨迹方向是从叶片进气边9到叶片排气边3，或者从叶片的排气边3到进气边9。

2)、设定两个砂轮的进给速度，达到砂轮的运动时间一致。

在两个砂轮5沿叶盆7、叶背6对应运动轨迹进行运动时，分别计算对应运动轨迹的砂轮5与叶片型面的接触弧长，分别设定两个砂轮5在对应运动轨迹时的进给速度，根据接触弧长调整砂轮5的进给速度，保持两个砂轮5在对应运动轨迹进行磨削的运动时间保持一致，从而保证两个砂轮5在加工叶片叶盆7、叶背6时的区域是实时对应的，实现双主轴系统在加工整个叶片叶盆、叶背时的加工区域是实时对应的。

以叶片叶盆、叶背的纵向磨削方式为例：如附图3所示，

1)、将叶片型面的叶盆和叶背划分区域，形成砂轮的运动轨迹；

根据叶片的结构形式和加工表面质量要求，将叶盆7、叶背6沿宽度方向分别划分为n个对应的区域，每个区域内分别形成一条对应的砂轮运动轨迹，n的数值根据叶片型面的设计要求和磨削工艺条件来确定，并分别对应砂轮在叶背的走刀方向和轨迹4以及砂轮在叶盆的走刀方向和轨迹8；

砂轮在叶背的走刀方向和轨迹4由标号为(1)、(2)、…共n条运动轨迹组成，加工过程中砂轮5沿相应的运动轨迹运动，通过与叶背6接触而对其进行磨削加工。

砂轮在叶盆的走刀方向和轨迹8由标号为①、②、…共n条运动轨迹组成，加工过程中砂轮5沿相应的运动轨迹运动，通过与叶盆7接触而对其进行磨削加工。

其中，n条运动轨迹中，标号(1)与①对应，(2)与②对应，……直至n条一一对应；

两个砂轮5在叶盆7和叶背6对应的区域内分别沿一条运动轨迹运动，叶盆7、叶背6对应区域的划分是从进气边到排气边，或者从排气边到进气边划分；砂轮5的运动轨迹方向是从叶尖到叶根，或者从叶根到叶尖。

2)、设定两个砂轮的进给速度，达到砂轮的运动时间一致。

两个砂轮5沿叶盆、叶背对应的运动路线在相应的区域内沿接触线运，分别计算沿叶片长度方向上对应运动轨迹的砂轮5与叶片型面的接触弧长，分别设定两个砂轮5在对应运动轨迹时的进给速度，根据接触弧长调整砂轮5的进给速度，保持两个砂轮5在对应运动轨迹进行磨削的运动时间保持一致，从而保证两个砂轮5在加工叶片叶盆7、叶背6时的区域是实时对应的。

步骤四：完成叶片叶盆、叶背的双主轴对称悬臂磨削加工

两个砂轮5在独立的主轴系统的驱动下高速旋转，并按照数控机床三轴联动插补后形成的特定的砂轮走刀方向和轨迹运动，以及设定的进给速度，实现叶片叶盆7、叶背6的磨削加工。

针对叶片装夹后相对于机床的位置以及数控机床的运动形式，可以选取不同的砂轮走刀方向和轨迹，从而实现叶片叶盆、叶背的三轴联动双主轴对称加工。三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法的加工效率、精度和加工过程的稳定性高，装夹方式简单，机床成本较低，能够较容易的实现叶片的批量化生产。

同时，两个砂轮在对叶片叶盆、叶背对应区域进行磨削加工时，其叶片叶盆、叶背在双主轴对称磨削加工过程中同时受到两个砂轮的作用力，受到的磨削合力在沿对应区域连线的方向上进行相互抵消，从而使叶片在相应的方向上受到较小的磨削合力，减小叶片因磨削力而产生的变形。叶片的单端悬臂装夹避免了叶片因装夹过定位而造成的装夹变形和装夹内应力，也能够使叶片在磨削过程中逐步、充分释放因残余应力而产生的无规律变形，并在叶盆、叶背的下一层磨削中使变形得到修正，从而提高了叶片最终的磨削效率和精度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：

步骤一：选择叶片叶盆、叶背的磨削方式及确定叶片的安装位置；

根据机床的结构类型、运动方式、叶片的结构形式及机床两个主轴系统的位置，确定叶片的磨削方式，并选择叶片在机床工作台上的相对安装位置；

步骤二：根据叶片的安装位置对叶片进行单端悬臂装夹；

确定好叶片的磨削方式以及安装位置后，通过单端夹持叶片的榫头或安装基准面将叶片固安在机床上，并使叶身型面部分在加工过程中完全处于悬臂状态；

步骤三：通过双主轴对称加工的三轴联动数控程序实现砂轮的运动时间一致；

选取叶盆和叶背磨削加工的砂轮走刀方式和轨迹，分别对两个主轴系统进行三轴联动数控程序编制，通过数控程序分别控制两个砂轮的运动路径和进给速度，并使两个砂轮同时对叶片的叶盆、叶背的对应区域进行磨削加工，实现砂轮的运动时间一致；

步骤四：完成叶片叶盆、叶背的双主轴对称悬臂磨削加工；

两个砂轮按照机床三轴联动插补后形成的走刀方向和轨迹运动，通过控制进给速度，实现对叶片叶盆和叶背同时对称磨削加工。

2.如权利要求1所述的一种用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，其特征在于，所述的步骤三中，三轴联动指机床三个直线轴的联动。

3.如权利要求1所述的一种用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，其特征在于，所述的步骤三具体过程如下：

1)、将叶盆和叶背的对应区域对称划分，形成砂轮的走刀方向和运动轨迹；

将叶片型面的叶盆和叶背沿长度方向或者宽度方向划分为n个对称的区域，每个区域内分别形成一条对应的砂轮运动轨迹，n的数值根据叶片型面的设计要求和磨削工艺条件来确定，并分别对应砂轮在叶背的走刀方向和轨迹以及砂轮在叶盆的走刀方向和轨迹；两个砂轮在叶盆和叶背对应的区域内分别沿一条运动轨迹运动；

2)、设定两个砂轮的进给速度，达到砂轮的运动时间一致；

两个砂轮沿叶盆和叶背对应对称区域进行运动，根据砂轮与叶片型面的接触弧长，调整两个砂轮的进给速度，保持两个砂轮在对应运动轨迹进行磨削的运动时间保持一致，从而保证两个砂轮在加工叶片叶盆、叶背时的区域是实时对应的。

4.如权利要求3所述的一种用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，其特征在于，所述的叶盆和叶背对应区域的划分具体是指：沿长度方向划分时，叶盆和叶背对应区域的划分是从叶尖到叶根，或者从叶根到叶尖划分；砂轮的运动轨迹方向是从叶片进气边到叶片排气边，或者从叶片的排气边到进气边；

沿宽度方向划分时，叶盆和叶背对应区域的划分是从进气边到排气边，或者从排气边到进气边划分；砂轮的运动轨迹方向是从叶尖到叶根，或者从叶根到叶尖。

5.如权利要求1所述的一种用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，其特征在于，所述的步骤三中，两个主轴系统根据叶片的叶盆、叶背的结构特征和选择的砂轮结构形式，分别调整与机床的相对安装位置和角度。

6.如权利要求1所述的一种用三轴联动双主轴对称加工的叶片悬臂磨削加工方法，其特征在于，所述的步骤四中，砂轮的走刀方向，也称为磨削进给方向，是沿叶片的叶尖到叶根之间的往复运动或者单向运动，或者沿叶片前缘到后缘之间的往复运动或者单向运动。