CN106599406A - 一种叶片边缘机械成形工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种叶片边缘机械成形工艺方法，根据整体叶盘的材料以及叶身型面的结构特点，建立整体叶盘振动光整数学模型，并利用有限元分析软件进行流体环境下的系统模拟，确定前后缘位置的振动光整去除量；确定去除量后，重新构建数控加工模型，再进行模拟分析；经过迭代模拟确认最终的整体叶盘数控加工模型。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)实现了叶片边缘的机械化成形加工，100％保证了整体叶盘、叶轮、叶片类零件的加工质量；2)提高产品的加工效率60％。

Description

一种叶片边缘机械成形工艺方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其是涉及一种叶片边缘机械成形加工方法。

背景技术

经数控机床加工过的发动机整体叶盘、叶轮以及叶片，在其外形表面上通常都存在拉毛、粗糙度不均匀，以及两表面转接处质量较差等现象，这在叶片的加工生产中都是难以避免的，这样的零件如果直接用于发动机、汽轮机的组装，将会严重影响产品的精度和质量。因此，在生产中要对叶片进行抛光加工。目前，国内企业在进行该项加工时，大多数依然是利用人工抛光方法。人工抛光方法存在质量稳定性差、加工周期长等缺点，严重影响了整台发动机机组的质量水平和工作效率。因此，用振动光整机加工设备，利用机械化的加工方式实现对叶片表面的抛光，能够在叶身型面上取得较好的一致性。

目前，叶片型面的加工均是使用数控机床来实现，并且能够在一定程度上保证叶片轮廓尺寸精度和位置精度的要求。但由于数控机床选用的刀具因素，在其叶片表面存在铣削形成的密排轨迹，局部区域还存在接刀痕迹，表面粗糙度一般在Ra1.6μm左右，而汽轮机叶片多数要求在Ra0.8μm或Ra0.4μm以上，这就需要后序对其进行表面光整。叶片表面光整是一种叶片的表面强化方法，其作用是使微观表面的轮廓最大高度降低，生成均匀的冷作硬化层，消除内部有害加工应力的同时，给表面增加一个均匀的预压应力，可制止微观裂纹发展，提高叶片疲劳强度。叶片表面光整加工的主要目的是:保证数控机床加工获得的尺寸精度和位置精度不受到破坏的基础上(即不发生变形、腐蚀等现象)，使叶片表面粗糙度达到一定标准。

现有加工方法的效果是：叶片表面大部分的去除尺寸量很小，基本没有发生加工变形；刀具的加工型线痕迹基本被去除，只有个别接刀痕迹和加工深度较大的刀痕没有被去除；但是叶片前后缘去除量较大，直接导致前后缘出现削边、平头等形状。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种叶片边缘机械成形工艺方法，本发明的目的是这样实现的：根据整体叶盘的材料以及叶身型面的结构特点，建立整体叶盘振动光整数学模型，并利用有限元分析软件进行流体环境下的系统模拟，确定前后缘位置的振动光整去除量；确定去除量后，重新构建数控加工模型，再进行模拟分析；经过迭代模拟确认最终的整体叶盘数控加工模型；具体步骤是：

步骤1：整体叶盘叶片前后缘形状的确认：根据前后缘形状决定振动光整时间；边缘为圆形时，振动光整时间为4±1小时；边缘为椭圆形时，振动光整时间为2.5±0.5小时；

步骤2：叶片安装角的确认：安装角大于45°时，其前后缘在叶盆和叶背区域的去除量差异较大，不能采用相同的余量和形状构建模型，需要分别对待；

步骤3：模拟振动光整磨料运动的流场状态的确认：在确认了前后缘形状及叶片安装角度后，采用流体动力学仿真软件，进行磨料的运动流场分析，在仿真过程中调整参数，使磨料流动参数变化减小，加工去除量均匀一致；

步骤4：根据整体叶盘材料及叶片间间隙确定振动光整磨料的材料及形状；

步骤5：以叶盆表面粗糙度达到Ra0.4μm为标准，确定前缘振动光整时间为4±1小时；

步骤6：以叶背表面粗糙度达到Ra0.4μm为标准，确定后缘振动光整时间为3±1小时；

步骤7：三坐标检测，确定叶片前后缘的形状及去除量；在叶身型面粗糙度达到Ra0.4μm时，从叶尖至叶根前后缘去除量逐渐减小；

步骤8：针对各截面前后缘的去除情况，分别进行数据补偿；按照步骤7各截面前后缘的去除情况，进行数据的补偿；在过切区域每隔0.1mm取一点，补偿的数值为(理论值-测量值)/2；如果叶尖截面过切值大于叶中截面过切值的4倍，需要在叶中与叶尖的截面之间增加截面，截面间距为5mm～10mm，补偿数据按叶尖与叶中过切值的线性比例计算；

步骤9：将各截面间的过渡区域进行光顺处理通过在UG或TS35软件下对补偿后数据进行截面数据的光顺处理，并进一步开展对三维曲面的总体表面优化，以得到更有利于实现表面优质成型的基础模型；

步骤10：形成补偿后叶型截面的*.dat文件：完成步骤8数据补偿后，采用UGCAD软件提取截面的数据点，形成补偿后叶型截面的*.dat文件；叶盆、叶背提取点的数量按叶片弦长长度值进行划分，分别取200～400点；前后缘取150～200点；

步骤11：建立补偿后的数控加工模型：将各截面的*.dat文件编辑为整体叶盘数控铣削软件MAX-PAC可识别的*.blade文件、*.bnd文件及*.edg文件；在MAX-PAC中建立补偿后的数控加工模型，供数控加工使用；

步骤12：按新模型加工出偏离理论设计图纸的待光整叶型；

步骤13：按照步骤5和步骤6确定的光整时间进行光整处理，得到符合设计图纸要求的整体叶盘产品。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)实现了叶片边缘的机械化成形加工，100％保证了整体叶盘、叶轮、叶片类零件的加工质量；2)提高产品的加工效率60％。

附图说明

图1是叶片前后缘形状示意图；

其中：(a)圆形边缘；(b)椭圆形边缘；

图2是叶片与盘体的安装角示意图；

图3是磨料形状照片；

图4是整体叶盘结构示意图；

图5是表面粗糙达标后叶尖至叶根后缘形状示意图，其中，(a)叶尖截面后缘形状示意图，(b)叶中截面后缘形状示意图，(c)叶根截面后缘形状示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明进行详细描述。

本案例采用本发明提出的叶片边缘机械化光整工艺对钛合金整体叶盘进行光整加工。

步骤1：整体叶盘叶片前后缘形状的确认。整体叶盘叶片前后缘形状一般为圆或者椭圆(见图1)，椭圆形前后缘在振动光整过程中余量去除快，常常引起削边问题的产生。因此，前后缘形状是决定振动光整时间的重要条件。边缘为圆形时，一般振动光整时间为4±1小时；边缘为椭圆形时，一般振动光整时间为2.5±0.5小时。

步骤2：叶片安装角的确认。由于整体叶盘的叶片与盘体为一体结构，叶盘水平放置于振动光整设备中，其叶片安装角α(盘体轴线和X轴的夹角，见图2)的大小直接影响振动光整磨料的流速，从而影响叶片表面的光整质量。同时，安装角的大小是影响前后缘形状控制的主要因素，安装角大于45°时，其前后缘在叶盆和叶背区域的去除量差异较大，不能采用相同的余量和形状构建模型，需要分别对待。

步骤3：模拟振动光整磨料运动的流场状态。在确认了前后缘形状及叶片安装角度后，采用流体动力学仿真软件，进行磨料的运动流场分析。对于振动光整加工，由于加工表面的扭曲及振动光整加工流通通道的尺寸变化，磨料的压力、流速、剪切速率等流动参数变化复杂，造成加工表面尺寸去除量不一致。因此需要流体动力学仿真软件，在仿真过程中调整参数，使磨料流动参数变化减小，加工去除量均匀一致。

步骤4：根据整体叶盘材料及叶片间间隙确定振动光整磨料的材料及形状(见图3)。整体叶盘材料主要为钛合金，钛合金材料叶盘两叶片间间隙一般大于20mm。如果磨料棱边多，在光整加工中，流通性极差，遮挡区的表面粗糙度不合格；而如果棱边少，抛光力度不够，粗糙度不合格。一般钛合金材料整体叶盘选用的磨料为三棱锥形，材料为陶瓷料。为提高磨料的流通性，需添加专用磨液，磨液与水配比比例为10％～15％。

步骤5：以叶盆表面粗糙度达到Ra0.4μm为标准，确定前缘振动光整时间。叶盆成内凹状态(见图4)，磨料流过时不易完全接触，为达到整个叶盆面的光整效果，时间一般为4±1小时。

步骤6：以叶背表面粗糙度达到Ra0.4μm为标准，确定后缘振动光整时间。叶背成外凸状态(见图4)，磨料流过时可以实现完全接触，为达到整个叶盆面的光整效果，时间一般为3±1小时。

步骤7：三坐标检测，确定叶片前后缘的形状及去除量。由于整体叶盘的叶片呈辐射状，叶尖部位的开敞性好，叶型的扭转小，此部分的磨料流通性极佳，叶身表面粗糙度容易达到Ra0.4μm，但是此部分前后缘也极容易出现削边问题。叶根部位空间小，并且扭转大，导致该区域磨料流通性差，叶型余量去除量小。因此，在叶身型面粗糙度达到Ra0.4μm时，从叶尖至叶根前后缘去除量逐渐减小(见图5)。

步骤8：针对各截面前后缘的去除情况，分别进行数据补偿；按照步骤7各截面前后缘的去除情况，进行数据的补偿。本步骤是该发明的关键。数据的补偿要根据经验值确定，一般在过切区域每各0.1mm取一点，补偿的数值为(理论值-测量值)/2。如果叶尖截面过切值大于叶中截面过切值的4倍，需要在叶中与叶尖的截面之间增加截面，截面间距为5mm～10mm，补偿数据按叶尖与叶中过切值的线性比例计算。此方法可有效的保证叶型整体的光滑转接。

步骤9：将各截面间的过渡区域进行光顺处理通过在UG或TS35等通用和专用软件下对补偿后数据进行截面数据的光顺处理，并进一步开展对三维曲面的总体表面优化，以得到更有利于实现表面优质成型的基础模型。

步骤10：形成补偿后叶型截面的*.dat文件。完成步骤8数据补偿后，采用UGCAD软件提取截面的数据点，形成补偿后叶型截面的*.dat文件。叶盆、叶背提取点的数量按叶片弦长长度值进行划分，分别取200～400点；前后缘取150～200点。

步骤11：建立补偿后的数控加工模型。将各截面的*.dat文件编辑为整体叶盘数控铣削专用软件MAX-PAC可识别的*.blade文件、*.bnd文件及*.edg文件。在MAX-PAC中建立补偿后的数控加工模型，供数控加工使用。

步骤12：按新模型加工出偏离理论设计图纸的待光整叶型。

步骤13：按照步骤5和步骤6确定的光整时间进行光整处理，得到符合设计图纸要求的整体叶盘产品。

Claims (1)

1.一种叶片边缘机械成形工艺方法，其特征在于：根据整体叶盘的材料以及叶身型面的结构特点，建立整体叶盘振动光整数学模型，并利用有限元分析软件进行流体环境下的系统模拟，确定前后缘位置的振动光整去除量；确定去除量后，重新构建数控加工模型，再进行模拟分析；经过迭代模拟确认最终的整体叶盘数控加工模型；具体步骤是：

步骤1：整体叶盘叶片前后缘形状的确认：根据前后缘形状决定振动光整时间；边缘为圆形时，振动光整时间为4±1小时；边缘为椭圆形时，振动光整时间为2.5±0.5小时；

步骤2：叶片安装角的确认：安装角大于45°时，其前后缘在叶盆和叶背区域的去除量差异较大，不能采用相同的余量和形状构建模型，需要分别对待；

步骤3：模拟振动光整磨料运动的流场状态的确认：在确认了前后缘形状及叶片安装角度后，采用流体动力学仿真软件，进行磨料的运动流场分析，在仿真过程中调整参数，使磨料流动参数变化减小，加工去除量均匀一致；

步骤4：根据整体叶盘材料及叶片间间隙确定振动光整磨料的材料及形状；

步骤5：以叶盆表面粗糙度达到Ra0.4μm为标准，确定前缘振动光整时间为4±1小时；

步骤6：以叶背表面粗糙度达到Ra0.4μm为标准，确定后缘振动光整时间为3±1小时；

步骤7：三坐标检测，确定叶片前后缘的形状及去除量；在叶身型面粗糙度达到Ra0.4μm时，从叶尖至叶根前后缘去除量逐渐减小；

步骤8：针对各截面前后缘的去除情况，分别进行数据补偿；按照步骤7各截面前后缘的去除情况，进行数据的补偿；在过切区域每隔0.1mm取一点，补偿的数值为(理论值-测量值)/2；如果叶尖截面过切值大于叶中截面过切值的4倍，需要在叶中与叶尖的截面之间增加截面，截面间距为5mm～10mm，补偿数据按叶尖与叶中过切值的线性比例计算；

步骤9：将各截面间的过渡区域进行光顺处理通过在UG或TS35软件下对补偿后数据进行截面数据的光顺处理，并进一步开展对三维曲面的总体表面优化，以得到更有利于实现表面优质成型的基础模型；

步骤10：形成补偿后叶型截面的*.dat文件：完成步骤8数据补偿后，采用UGCAD软件提取截面的数据点，形成补偿后叶型截面的*.dat文件；叶盆、叶背提取点的数量按叶片弦长长度值进行划分，分别取200～400点；前后缘取150～200点；

步骤11：建立补偿后的数控加工模型：将各截面的*.dat文件编辑为整体叶盘数控铣削软件MAX-PAC可识别的*.blade文件、*.bnd文件及*.edg文件；在MAX-PAC中建立补偿后的数控加工模型，供数控加工使用；

步骤12：按新模型加工出偏离理论设计图纸的待光整叶型；

步骤13：按照步骤5和步骤6确定的光整时间进行光整处理，得到符合设计图纸要求的整体叶盘产品。