CN104475841B - 一种长悬臂大型整体叶盘叶片一次性铣削方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种长悬臂大型整体叶盘叶片一次性铣削方法，属航空发动机技术领域。按照以下步骤进行：步骤一、刀具的选择；步骤二、五轴加工防干涉计算；步骤三、五轴加工刀具轨迹设计：(1)整体螺旋刀轨设计(2)叶根、流道刀轨设计；步骤四：进行铣削；本发明采用整体螺旋铣削刀轨模式，一次装夹完成叶片的精密铣削，消除二次装夹误差，避免对接铣削接刀痕，有效控制加工变形；采用梯度刀柄让刀柄伸进腔槽中切削，使同样尺寸规格刀具悬伸最大缩短4倍，有效控制加工振动，消除叶片表面振纹，提高零件表面质量一个等级；使刀具由原非标改为标准刀具，实现全部铣削刀具的标准化，切削效率大幅提升，提高加工效率33％。

Description

一种长悬臂大型整体叶盘叶片一次性铣削方法
技术领域
本发明属航空发动机技术领域，特别涉及一种长悬臂大型整体叶盘叶片一次性铣削方法。
背景技术
整体结构叶盘是国际航空发动机上采用的关键零件，在发动机低压压气机和高压压气机各级均采用整体叶盘结构，国际上广泛采用五坐标数控铣削的加工方法，但对于长悬臂大型整体叶盘加工，目前国内一直沿用传统对接铣削工艺，存在二次装夹误差，且加工振动大表面质量差，对接铣削后接刀痕大，后续手工抛修消除接刀痕，振纹等表面缺陷造成叶片前、后缘及临近部位过切致使叶片轮廓度严重超差且两次铣削加工效率低等技术瓶颈问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供抑制长悬臂整体叶盘叶片加工振颤，提高加工精度及效率的解决方法。
本发明一种长悬臂大型整体叶盘叶片一次性铣削方法，按照以下步骤进行：
步骤一、刀具的选择
采用热胀刀柄，跳动量在0.005mm以下，夹持刀具后整体跳动量在0.01mm的刀具，根据槽的可达性分段在长度上逐步递增刀柄悬深，尺寸规格随叶片在不同位置最小间距合理配置，使刀具保证在最短悬深；选择三种梯度刀柄，根据叶片从最外缘轮盖到轮毂，刀柄的可达性计算定制一种规格2种不同长度刀具，分层渐进铣削，刀具悬伸的长度数值缩短到原来的1/4，能够进入叶片根部铣削；
步骤二、五轴加工防干涉计算
编制叶盘铣加工程序时，在MAX-PAC软件中利用.sha文件对刀柄进行全尺寸构建，将刀柄所有尺寸均在编程模拟中进行验证，区别于简单的通过刀具锥角逼近“刀具—刀柄”状态，
刀具最小悬深精确计算：刀柄与刀具相比尺寸大，干涉计算困难在计算避让时使得刀柄与叶片之间避让距离小，通过计算避让距离在1mm，且刀柄尺寸在不同长度变化大，为避免干涉结合VERICUT软件计算刀具最短精确悬伸；
步骤三、五轴加工刀具轨迹设计
(1)整体螺旋刀轨设计
在刀具轨迹设计上，采用对称螺旋铣削方式完成叶盘半精和精加工，对称螺旋铣削精加工采用螺旋线刀具轨迹在叶片两侧在一个螺旋周期内被“对称”地加工，且叶片两侧被切除的加工余量是相等的；
(2)叶根、流道刀轨设计
叶片根部、流道及叶身中最后一段叶身，采用一个程序，同一把刀具一次加工工步来完成；步骤四：进行铣削
将叶盘叶片分为叶身即叶尖到叶根全长范围内型面，和流道即包括叶片根部圆角R和流道面两个区域，叶身区域采用整体螺旋铣削，通过特殊的热胀刀柄一次装夹完成叶片的半精铣和精铣；流道区域作为一个整体加工区域一次加工工步来完成。
本发明的特点如下：
(1)铣削方案：将叶盘叶片分为叶身(叶尖到叶根全长范围内型面)和流道(包括叶片根部圆角R和流道面)两个区域，叶身区域采用整体螺旋铣削，通过特殊的热胀刀柄一次装夹完成叶片的半精铣和精铣；流道区域作为一个整体加工区域一次加工工步来完成，这种加工方法消除叶根和叶身、流道的接刀痕迹，有效提高零件表面质量。
(2)增强铣削刀具刚性方案：选用定制的热胀刀柄，加工过程中在保证刀柄及刀具可达性的前提下，采取圆柱直柄+锥度的形式保证刀柄及刀具的整体刚性。同时，为解决刀具悬深长问题，采用热涨梯度刀柄改变传统采用一种刀柄结构尺寸，根据槽的可达性分段在长度上逐步递增刀柄悬深，尺寸规格随叶片在不同位置最小间距合理配置，这样可以增加刀柄的悬深及刚性让刀柄伸进腔槽中进行切削，使刀具保证在最短悬深，相当于传统刀具悬伸最大缩短4倍能够进入叶片根部铣削，解决刀具悬深长振颤难题。
(3)刀柄参数确定方法
在多约束，多干涉、狭窄槽、封闭腔的加工环境下，刀具进入叶片根部，叶片腔深存在五轴数控加工防干涉、碰撞难题，采取以下方法：
1)确定刀柄最大实体范围：采取锥度刀具编程模拟加工过程，确定刀柄的最大实体范围。
2)根据确定的刀柄最大实体范围进行刀柄设计，同时参考刀具悬伸，初步确定刀柄结构及尺寸及刀具。
3)最终确定刀柄尺寸及刀具：将确定的刀柄及刀具进行编程，并模拟加工过程，检查是否干涉、碰撞，并优化结构，最终确定刀柄尺寸及刀具。
4)采用分级调整切削步距策略和调整轮盖数据、流道延伸方向和长度及改变刀轨方向，优化刀轴矢量以获得最优刀轨方法。
5)采用VERICUT编程模拟获取刀具最短精确悬伸计算。
本发明的有益效果：
1)采用整体螺旋铣削刀轨模式，一次装夹完成叶片的精密铣削，消除二次装夹误差，避免对接铣削接刀痕，有效控制加工变形，使轮廓精度相比对接铣工艺方法由原来轮廓度0.2mm提高到0.1mm。
2)采用梯度刀柄让刀柄伸进腔槽中切削，使同样尺寸规格刀具悬伸最大缩短4倍，有效控制加工振动，消除叶片表面振纹，提高零件表面质量一个等级；使刀具由原非标改为标准刀具，实现全部铣削刀具的标准化，仅此1项降低刀具成本12万余元；
3)切削效率大幅提升，将铣削加工由原有的720小时减少到480小时，提高加工效率33％。
附图说明
图1为编制叶盘铣加工程序时，在MAX-PAC软件中利用.sha文件；
图2三种梯度刀柄；
图3刀具悬深计算；
图4螺旋铣刀轨；
图5叶型、叶根和流道组合刀轨。
具体实施方式
实施例1
下面结合图说明一切动作过程。
本发明技术用于铣削直径1200mm，叶片悬深长246mm的整体叶盘、叶片间距最小38mm，具体操作步骤如下：
步骤一、刀具的选择
采用热涨刀柄，跳动量在0.005mm以下，夹持刀具后整体跳动量在0.01mm刀具，根据槽的可达性分段在长度上逐步递增刀柄悬深，尺寸规格随叶片在不同位置最小间距合理配置，使刀具保证在最短悬深，选择三种梯度刀柄，根据叶片从最外缘轮盖到轮毂，刀柄的可达性计算定制一种规格2种不同长度刀具，为￠16 90mm，￠16 120mm分层渐进铣削，刀具悬伸的长度数值缩短到原来的1/4能够进入叶片根部铣削。
步骤二、五轴加工防干涉计算
制叶盘铣加工程序时，在MAX-PAC软件中利用.sha文件如图1所示；对刀柄进行全尺寸构建，将刀柄所有尺寸均在编程模拟中进行验证区别于简单的通过刀具锥角逼近“刀具—刀柄”状态，这样真实程度上更接近实际，为刀具运算上留有更大空间，获得更优的刀具轨迹。
刀具最小悬深精确计算：刀柄与刀具相比尺寸大，干涉计算困难在计算避让时使得刀柄与叶片之间避让距离小，通过计算避让距离在1mm，且刀柄尺寸在不同长度变化大，为避免干涉结合VERICUT软件计算刀具最短精确悬伸。如图3算刀具悬深过程。
步骤三、五轴加工刀具轨迹设计
(1)整体螺旋刀轨设计
在刀具轨迹设计上，采用对称螺旋铣削方式完成叶盘半精和精加工，对称螺旋铣削精加工采用螺旋线刀具轨迹叶片两侧在一个螺旋周期内被“对称”地加工，且叶片两侧被切除的加工余量是相等的，有效的控制粗加工、半精加工后叶片内应力非对称释放和加工残余应力引起加工变形，轨迹如图4所示。
(2)叶根、流道刀轨设计
叶片根部、流道及叶身中最后一段叶身，若继续采用分段加工方式进行，刀具的长径比非常大，控制系统的刚性差，流道、叶根和叶身三者的接刀痕大，不利于叶片表面质量的控制。因此此区域采用一个程序，同一把刀具一次加工工步来完成，这种加工方法消除了清根和叶身、流道的接刀痕迹，有效提高零件表面质量，为后续手工抛光刀痕节省了时间和避免抛光接刀痕迹造成的偏差，提高抛光质量，完成刀具轨迹的设计，如图5所示。
步骤四：进行铣削
将叶盘叶片分为叶身(叶尖到叶根全长范围内型面)和流道(包括叶片根部圆角R和流道面)两个区域，叶身区域采用整体螺旋铣削，通过特殊的热胀刀柄一次装夹完成叶片的半精铣和精铣；流道区域作为一个整体加工区域一次加工工步来完成。
经上述步骤进行的铣削,避免二次装夹找正误差，提高零件加工精度。避免对接铣削接刀痕，提高零件型面整体一致性；增强零件刚性，减少零件表面振纹，提高零件表面质量。刀具由原非标改为标准刀具，降低刀具成本。切削效率大幅提升，提高加工效率33％。

Claims (2)

1.一种长悬臂大型整体叶盘叶片一次性铣削方法，其特征在于按照以下步骤进行：
步骤一、刀具的选择
采用热胀刀柄，跳动量在0.005mm以下，夹持刀具后整体跳动量在0.01mm的刀具，根据槽的可达性分段在长度上逐步递增刀柄悬深，尺寸规格随叶片在不同位置最小间距合理配置，使刀具保证在最短悬深；选择三种梯度刀柄，根据叶片从最外缘轮盖到轮毂，刀柄的可达性计算定制一种规格2种不同长度刀具，分层渐进铣削，刀具悬伸能够进入叶片根部铣削；
步骤二、五轴加工防干涉计算
编制叶盘铣加工程序时，在MAX-PAC软件中利用.sha文件对刀柄进行全尺寸构建，将刀柄所有尺寸均在编程模拟中进行验证，区别于简单的通过刀具锥角逼近“刀具—刀柄”状态，
刀具最小悬深精确计算：刀柄与刀具相比尺寸大，干涉计算困难在计算避让时使得刀柄与叶片之间避让距离小，通过计算避让距离在1mm，且刀柄尺寸在不同长度变化大，为避免干涉结合VERICUT软件计算刀具最短精确悬伸；
步骤三、五轴加工刀具轨迹设计
(1)整体螺旋刀轨设计
在刀具轨迹设计上，采用对称螺旋铣削方式完成叶盘半精和精加工，对称螺旋铣削精加工采用螺旋线刀具轨迹在叶片两侧在一个螺旋周期内被“对称”地加工，且叶片两侧被切除的加工余量是相等的；
(2)叶根、流道刀轨设计
叶片根部、流道及叶身中最后一段叶身，采用一个程序，同一把刀具一次加工工步来完成；步骤四：进行铣削。
2.根据权利要求1所述的一种长悬臂大型整体叶盘叶片一次性铣削方法，其特征在于步骤四：进行铣削具体为：将叶盘叶片分为叶身即叶尖到叶根全长范围内型面、和流道即包括叶片根部圆角R和流道面两个区域，叶身区域采用整体螺旋铣削，通过特殊的热胀刀柄一次装夹完成叶片的半精铣和精铣；流道区域作为一个整体加工区域一次加工工步来完成。
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