CN109605120A - 一种提高航空叶片加工良品率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高航空叶片加工良品率的方法，该方法通过有限元分析软件，对叶片模型加工路径上的刀具切削点施加切削力进行仿真分析，将得到的最大应力与屈服应力比较，再通过迭代调整得到切削点的最优刀具切深；对加工路径的多个切削点进行迭代计算，得到此叶片加工每个切削点的最优刀具切深，将每个点的刀具切深和坐标输入到数控机床的刀具加工运行代码中，数控机床对叶片进行实际加工，此加工参数下防止了叶片加工变形，刀具切深最大，在保证加工质量的前提下，提高了叶片的加工效率和叶片加工的良品率。

Description

一种提高航空叶片加工良品率的方法
技术领域
本发明涉及一种提高航空叶片加工良品率的方法，尤其涉及一种在有限元软件中通过迭代求解得到叶片加工中，刀具临界切深的方法，属于航空薄壁叶片加工领域。
背景技术
航空发动机的叶片是航空制造业的核心零件，对其制造精度有很高的要求。叶片的加工精度及其稳定性对航空发动机的性能有直接的影响。在叶片加工过程中，由于加工效率和加工质量难以同时达到要求，在保证加工质量的前提下，需尽量提高加工效率。
叶片属于薄壁曲面零件，加工时为避免出现废品，必须掌握好切削参数值的大小；切削参数过大会导致应力超过了材料的屈服应力，在受到切削力的作用下，叶片会产生加工变形，导致加工后的叶片精度较差，其型面轮廓无法达到设计要求，很难稳定地与理论设计一致；切削参数过小又会使加工效率降低。
发明内容
为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种提高航空叶片加工良品率的方法，该方法可以在保证加工质量的前提下，提高加工效率。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：
一种提高航空叶片加工良品率的方法，包括以下几个步骤：
步骤1、建立航空叶片三维模型。
步骤2、将所述航空叶片三维模型进行有限元分析，拟定航空叶片的加工路径，在航空叶片加工路径上等距离选定多个加载点；这些点将作为应力分析时切削力的施加点。
步骤3、将首个加载点的刀具切深换算成切削力，将切削力施加在首个加载点上进行应力仿真分析，得到所述航空叶片的最大应力值；本发明中，切削力是根据刀具切深、刀具材料等加工参数计算得到的，刀具切深和切削力互换，将刀具切深和最大应力连接起来，调节刀具切深即能调节最大应力。
步骤4、计算最大应力值与叶片材料屈服应力值间差值，将所述差值的绝对值与预设参数ε进行比较：
若小于预设参数ε，对下一个加载点重复步骤3；材料屈服应力值可通过查表得知，小于预设参数ε，表明此最大应力为最优应力，在此应力的刀具切深下加工叶片，叶片不会产生变形，此应力下的刀具切深最大，加工效率最高。
若大于预设参数ε且最大应力值大于屈服应力值，则刀具切深减少d，进入步骤3；最大应力值大于屈服应力值，受到切削力的作用下，叶片会产生加工变形，需减少切削力。
若大于预设参数ε且最大应力值小于屈服应力值，则刀具切深增加d，进入步骤3；大应力值小于屈服应力值，此状态的加工效率较低，需增加刀具切深进而增加切削力，提高叶片的加工效率。
步骤5、仿真分析完所有加载点后，将每个加载点的刀具切深与坐标组成对应关系，输入到数控机床上对叶片进行实际加工，得到加工后的航空叶片。每个加载点所施加的刀具切深为叶片加工的最优切深，此切深下加工航红叶片，叶片既不会产生变形，此应力下的刀具切深最大，加工效率最高。
进一步的是，所述有限元分析采用包括Abaqus或者Ansys软件。
进一步的是，所述步骤4是基于Abaqus或者Ansys软件的二次开发语言，编制参数化程序。
进一步的是，所述航空叶片包括末端的叶榫和叶根，前端的叶尖，以及连接叶根和叶尖的叶背和叶盆。
进一步的是，所述加工路径沿叶背和叶盆长度方向螺旋分布。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种提高航空叶片加工良品率的方法，该方法通过有限元分析软件，对叶片模型加工路径上的刀具切削点施加切削力进行仿真分析，将得到的最大应力与屈服应力比较，再通过迭代调整得到切削点的最优刀具切深；对加工路径的多个切削点进行迭代计算，得到此叶片加工每个切削点的最优刀具切深，将每个点的最优刀具切深和坐标输入到数控机床的刀具加工运行代码中，数控机床对叶片进行实际加工，此加工参数下防止了叶片加工变形，刀具切深最大，提高了叶片的加工效率和叶片加工的良品率。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明的航空叶片示意图；
图3为本发明的加工路径上的加载点示意图；
图4为本发明实施例中一个加载点的最大应力接近叶片材料屈服应力值时的应力分布仿真计算图；
图5为本发明实施例中一个加载点在恒定切深下的叶片应力分布仿真计算图；
图6为在最大应力不超过屈服应力的临界条件下，切削深度沿加载点组成的路径的变化规律图；
图中：1、叶榫；2、叶根；3、叶背；4、叶尖；5、叶盆；6、加载点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
一种提高航空叶片加工良品率的方法，如图1所示，包括以下几个步骤：
步骤1、建立航空叶片三维模型，如图2所示，此航空叶片包括末端的叶榫1和叶根2，前端的叶尖4，以及连接叶根2和叶尖4的叶背3和叶盆5；此叶片为航空薄壁叶片，是某航空发动机的第1级静子叶片，尺寸为125mm*40mm*6mm。
步骤2、将叶片模型导入有限元分析软件Abaqus中，拟定沿叶背3和叶盆5长度方向螺旋分布的加工路径，在叶片加工路径上等距离选定多个加载点，作为应力分析时切削力的施加点。
步骤3、将首个加载点的刀具切深换算成切削力，在给定边界条件：叶榫1的四个环面6个自由度固定，叶尖4的环面的x、y、Rx、Ry的4个自由度固定下，将切削力施加在加载点上进行应力仿真分析，得到叶片应力的分布图，以及叶片的最大应力值及其位置。
具体的，刀具切深换算成切削力的公式为：
式中，Cp是取决于工件材料和铣削条件的系数，ae为铣削层宽度，fz为每齿进给量，ap为铣削深度，Z是铣刀齿数，d是铣刀直径，Kp为被加工材料的强度极限或硬度与经验公式的试验条件不符时的修正系数。这些参数的取值为Cp＝294，ae＝8mm，fz＝0.5mm，Z＝4，d＝10，Kp＝0.75。这里考虑铣削深度ap是变量，其值没有固定给出。将切削力施加在首个加载点上进行应力仿真分析，得到所述航空叶片的最大应力值；本发明中，切削力是根据刀具切深、刀具材料等加工参数计算得到的，刀具切深和切削力互换，将刀具切深和最大应力连接起来，调节刀具切深即能调节最大应力。
步骤4、计算最大应力值与叶片材料屈服应力值间差值，将所述差值的绝对值与预设参数ε进行比较：
若小于预设参数ε，对下一个加载点重复步骤3；
若大于预设参数ε且最大应力值大于屈服应力值，则刀具切深减少d，进入步骤3；
若大于预设参数ε且最大应力值小于屈服应力值，则刀具切深增加d，进入步骤3。
本实施里中，ε的值为10MPa，d的值为0.01mm。
步骤5、仿真分析完所有加载点后，将每个加载点的刀具切深与坐标组成对应关系，输入到数控机床上对叶片进行实际加工，得到加工后的航空叶片。
本实施里中，所述步骤4是基于Abaqus软件的二次开发语言，编制参数化程序实现的。
图4为本发明实施例中一个加载点的最大应力接近叶片材料屈服应力值时的应力分布仿真计算图，此时的切深为0.71mm；图5为如果以0.8mm的切深在与图4同一个加载点上的加力时的叶片应力分布仿真计算图，此时的最大应力已经超过了叶片的屈服应力值，从而使叶片报废。
采用本实施例的方法，加工100件航空叶片，良品率为95％；而未采用本发明的方法，用普通的方法加工航空叶片，良品率为85％；因此，采用本发明的方法大大提高了叶片加工的良品率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种提高航空叶片加工良品率的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤1、建立航空叶片三维模型；
步骤2、将所述航空叶片三维模型进行有限元分析，拟定航空叶片的加工路径，在航空叶片加工路径上选定多个加载点；
步骤3、将首个加载点的刀具切深换算成切削力，将切削力施加在首个加载点上进行应力仿真分析，得到所述航空叶片的最大应力值；
步骤4、计算最大应力值与叶片材料屈服应力值间差值，将所述差值的绝对值与预设参数ε进行比较：
若小于预设参数ε，对下一个加载点重复步骤3；
若大于预设参数ε且最大应力值大于屈服应力值，则刀具切深减少d，进入步骤3；
若大于预设参数ε且最大应力值小于屈服应力值，则刀具切深增加d，进入步骤3；
步骤5、仿真分析完所有加载点后，将每个加载点的刀具切深与坐标组成对应关系，输入到数控机床上对航空叶片进行实际加工，得到加工后的航空叶片。
2.根据权利要求1所述的一种提高航空叶片加工良品率的方法，其特征在于，所述有限元分析采用包括Abaqus或者Ansys软件。
3.根据权利要求2所述的一种提高航空叶片加工良品率的方法，其特征在于，所述步骤4是基于Abaqus或者Ansys软件的二次开发语言，编制参数化程序。
4.根据权利要求1所述的一种提高航空叶片加工良品率的方法，其特征在于，所述航空叶片包括末端的叶榫(1)和叶根(2)，前端的叶尖(4)，以及连接叶根(2)和叶尖(4)的叶背(3)和叶盆(5)。
5.根据权利要求1所述的一种提高航空叶片加工良品率的方法，其特征在于，所述加工路径沿叶背(3)和叶盆(5)长度方向螺旋分布。
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