CN110744112B - 一种整体叶轮大扭转变圆角叶型的减振铣削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种整体叶轮大扭转变圆角叶型的减振铣削方法，该方法以刀具前倾角变化范围作为铣削平稳性评价指标，沿叶展方向将粗铣区域依次划分为三维型腔往复层铣区域、三维锐角型腔单向层铣区域、三维锐角型腔对接插铣区域，在变叶根圆角区域以切削去除量均匀性作为铣削稳定性评价指标，依据多重变叶根圆角模型分层递进加工，并通过切削力优化及粗精组合加工方法，最终使整体叶轮获得良好的加工精度和表面质量；该方法的目的是降低叶片三维锐角型腔区域以及变叶根圆角区域的刀轴变化幅度，均衡材料切削去除量，减小叶型切削振动，提高叶型铣削过程平稳性，使整体叶轮大扭转变圆角叶型获得良好的加工精度与表面质量。

Description

一种整体叶轮大扭转变圆角叶型的减振铣削方法

技术领域

本发明涉及航空发动机整体叶轮加工技术领域，特别涉及一种整体叶轮大扭转变圆角叶型的减振铣削方法。

背景技术

整体叶轮结构在国际航空发动机设计上得到广泛应用，采用带有弯掠组合特征的复杂叶片构型来增大压缩比和提升气动效率，叶型具有长悬伸、大扭转、窄间距、高曲率变化特点，在叶身与流道形成的三维锐角型腔区域，加工过程稳定性差，刀轴摆动幅度大，切削力变化剧烈，导致叶片局部区域存在振纹、过切、前后缘形状欠佳等问题。现有的加工方法一般采用往复层铣、层铣与半精铣结合方式加工三维锐角型腔区域，通过加密刀轨、减小进给速度来降低切削振动带来的影响，粗铣效率低，刀具磨损快，表面质量难以保证。为适应强度与气动需求，部分整体叶轮叶身与流道的转接部位逐步采用变叶根圆角代替常用的恒定叶根圆角，使刀轴矢量变化进一步加大，叶根圆角切削去除量不均匀，转接区域容易产生振纹、接刀，并且国内外对变叶根圆角构建方法及加工策略方面鲜有论述。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种整体叶轮大扭转变圆角叶型的减振铣削方法，具体技术方案如下：

一种整体叶轮大扭转变圆角叶型的减振铣削方法，其特征在于，该方法以刀具前倾角变化范围作为铣削平稳性评价指标，沿叶展方向将粗铣区域依次划分为三维型腔往复层铣区域、三维锐角型腔单向层铣区域、三维锐角型腔对接插铣区域，在变叶根圆角区域以切削去除量均匀性作为铣削稳定性评价指标，依据多重变叶根圆角模型分层递进加工，并通过切削力优化及粗精组合加工方法，最终使整体叶轮获得良好的加工精度和表面质量；

该方法包括以下步骤：

步骤1：选定刀具前倾角变化范围；

在叶型粗开槽加工轨迹设计中，依据刀具前倾角对叶型铣削平稳性的影响程度，结合叶型扭转、叶展长度、工件材料及刀具长径比，对刀具前倾角的变化范围进行选定区分，一般将刀具前倾角的理想范围设为-10°～0°，允许可用范围设为-30°～10°；

步骤2：划分粗开槽加工区域；

大扭转变圆角整体叶轮的叶片与流道构成三维型腔，三维型腔在中下部有进气侧三维锐角区和排气侧三维锐角区；依据刀具前倾角变化范围，从叶尖到叶根方向将三维型腔依次划分为三维型腔往复层铣区域、三维锐角型腔单向层铣区域以及三维锐角型腔对接插铣区域；

步骤3：计算粗开槽刀具轨迹；

步骤3.1：选定三维型腔往复层铣区域，计算往复层铣轨迹，在三维型腔往复层铣区域刀具前倾角在理想范围内变化，将往复层铣轨迹按层数标记为R₁，R₂，…R_i，每层轨迹具有偶数条刀轨，每层轨迹的进刀和退刀保证在叶型同侧，往复层铣不加工前后缘圆弧；

步骤3.2：选定三维锐角型腔单向层铣区域，将三维锐角型腔单向层铣区域沿整体叶轮周向细分为进气侧三维锐角型腔区域A_2L和排气侧三维锐角型腔区域A_2T两部分；

步骤3.3：针对进气侧三维锐角区，在进气侧三维锐角型腔区域A_2L选择从进气侧向排气侧单向加工策略，最大程度降低刀轴摆动幅度，计算进气侧单向层铣刀具轨迹，按层数标记为RL_i+1，RL_i+2，…RL_j，在区域A_2L刀具前倾角在允许可用范围内变化；

步骤3.4：针对排气侧三维锐角区，在排气侧三维锐角型腔区域A_2T选择从排气侧向进气侧单向加工策略，最大程度降低刀轴摆动幅度，计算排气侧单向层铣刀具轨迹，按层数标记为RT_i+1，RT_i+2，…RT_j，在区域A_2T刀具前倾角在允许可用范围内变化；

步骤3.5：将进气侧单向层铣刀具轨迹和排气侧单向层铣刀具轨迹进行逐层组合，形成单向层铣组合刀具轨迹，按层数标记为R_i+1，R_i+2，…R_j，组合后每层轨迹具有偶数条刀轨，每层轨迹的进刀和退刀保证在叶型同侧，单向层铣不加工前后缘圆弧；

步骤3.6：对三维型腔往复层铣区域、三维锐角型腔单向层铣区域内的粗铣刀具轨迹R₁，R₂，…R_j进行切削力分析与优化，降低切削力峰值，均衡材料切削去除量；

步骤3.7：选定三维锐角型腔对接插铣区域，将切削区域沿整体叶轮轴向细分成进气侧插铣区域与排气侧插铣区域；

步骤3.8：在进气侧插铣区域从进气侧进刀，刀具倾斜角度相对刀具路径保持恒定，计算进气侧插铣刀具轨迹，插铣刀具半径应不小于变叶根圆角的最大值，从进气侧插铣时加工前缘圆弧；

步骤3.9：在排气侧插铣区域从排气侧进刀，刀具倾斜角度相对刀具路径保持恒定，计算排气侧插铣刀具轨迹，插铣刀具半径应不小于变叶根圆角的最大值，从排气侧插铣时加工后缘圆弧；

步骤4：组合叶型粗精刀具轨迹；

计算整个叶身型面精铣刀具轨迹，将叶型精铣轨迹沿叶尖到叶根方向进行细分，按段数标记为F₁，F₂，...F_j，将粗铣刀轨与精铣刀轨组合为R₁，F₁，...R_j，F_j；

步骤5：选择变叶根圆角加工刀具和切削厚度；

变叶根圆角在叶片与流道的不同转接区域采用不同的叶根圆角值，最大叶根圆角值R_max位于弦长中部区域，最小叶根圆角值R_min位于前后缘区域；综合考虑刀具加工刚性与变叶根圆角大小，选择叶根圆角铣削刀具直径D_tool≤(2R_min～0.5)，粗铣圆角每层去除材料最大厚度T_max在0.05D_tool～0.1D_tool之间，粗铣圆角为精铣圆角留0.1～0.3mm余量；

步骤6：构建变叶根圆角多重工艺模型；

依据不同区域的叶根圆角数据，在保持粗清根每层最大切削厚度T_max恒定的条件下，计算多重工艺模型构造数据，构建多重变叶根圆角工艺模型；

步骤7：计算变叶根圆角分层递进加工轨迹；

基于多重变叶根圆角工艺模型，分别从叶身、流道交替向叶根方向走刀，计算变叶根圆角分层递进加工轨迹；

步骤8：叶型减振铣削验证；

使用叶型粗精组合刀具轨迹与变叶根圆角分层递进加工轨迹，进行叶身型面与变叶根圆角加工，验证加工过程是否平稳；若叶型铣削过程存在明显振动，可按步骤3～步骤7重新调整加工区域和刀具轨迹，再次进行铣削验证。

本发明的有益效果：该方法针对叶片三维锐角型腔区域以及变叶根圆角区域，分别采用分区单向铣削策略及分层递进铣削策略，降低刀轴变化幅度，均衡切削去除量，减小叶型切削振动，维持叶型加工刚性，提高叶型铣削过程平稳性，使整体叶轮大扭转变圆角叶型获得良好的加工精度和表面质量。同时，该方法可选择较高的切削参数进行叶型铣削并保持较高的刀具耐用度。

附图说明

图1为三维型腔示意图；

图2为三维型腔切削区域划分示意图；

图3为往复层铣轨迹示意图；

图4为进气侧三维锐角型腔区域单向铣削示意图；

图5为排气侧三维锐角型腔区域单向铣削示意图；

图6为三维锐角型腔单向铣削组合刀轨示意图；

图7为对接插铣刀具轨迹示意图；

图8为变叶根圆角示意图。

图中，1-叶片、2-流道、3-三维型腔、4-进气侧三维锐角区、5-排气侧三维锐角区、6-三维型腔往复层铣区域、7-三维锐角型腔单向层铣区域、8-三维锐角型腔对接插铣区域、9-往复层铣轨迹、10-进气侧单向层铣刀具轨迹、11-排气侧单向层铣刀具轨迹、12-单向层铣组合刀具轨迹、13-进气侧插铣刀具轨迹、14-排气侧插铣刀具轨迹、15-变叶根圆角。

具体实施方式

根据图1～8所示，本发明技术提供一种可降低刀轴变化幅度、减小切削振动的加工方案，用于铣削直径Φ780mm、叶片长110mm的大扭转变圆角整体叶轮，该叶轮的叶片扭转达到56.3°，最大叶根圆角R_max为R5.45mm，最小叶根圆角R_min为R2.85mm。具体加工步骤如下：

步骤1：选定刀具前倾角变化范围；

在叶型粗开槽加工轨迹设计中，依据刀具前倾角对叶型铣削平稳性的影响程度，结合叶型扭转、叶展长度、工件材料及刀具长径比，对刀具前倾角的变化范围进行选定区分，一般将刀具前倾角的理想范围设为-10°～0°，允许可用范围设为-30°～10°；

步骤2：划分粗开槽加工区域；

大扭转变圆角整体叶轮的叶片1与流道2构成三维型腔3，三维型腔3在中下部有进气侧三维锐角区4和排气侧三维锐角区5；依据刀具前倾角变化范围，从叶尖到叶根方向将三维型腔3依次划分为三维型腔往复层铣区域6、三维锐角型腔单向层铣区域7以及三维锐角型腔对接插铣区域8；

步骤3：计算粗开槽刀具轨迹；

步骤3.1：选定三维型腔往复层铣区域6，从叶尖到叶根方向参数化深度为0.02～0.83，计算往复层铣轨迹9，在三维型腔往复层铣区域6刀具前倾角在理想范围内变化，将往复层铣轨迹9按层数标记为R₁，R₂，...R₁₁₈，每层轨迹具有6条刀轨，每层轨迹的进刀和退刀保证在叶型同侧，往复层铣不加工前后缘圆弧；

步骤3.2：选定三维锐角型腔单向层铣区域7，从叶尖到叶根方向参数化深度为0.83～0.985，将三维锐角型腔单向层铣区域7沿整体叶轮周向细分为进气侧三维锐角型腔区域A_2L和排气侧三维锐角型腔区域A_2T两部分；

步骤3.3：针对进气侧三维锐角区4，在进气侧三维锐角型腔区域A_2L选择从进气侧向排气侧单向加工策略，最大程度降低刀轴摆动幅度，计算进气侧单向层铣刀具轨迹10，按层数标记为RL₁₁₉，RL₁₂₀，...RL₁₅₉，在区域A_2L刀具前倾角在允许可用范围内变化；

步骤3.4：针对排气侧三维锐角区5，在排气侧三维锐角型腔区域A_2T选择从排气侧向进气侧单向加工策略，最大程度降低刀轴摆动幅度，计算排气侧单向层铣刀具轨迹11，按层数标记为RT₁₁₉，RT₁₂₀，...RT₁₅₉，在区域A_2T刀具前倾角在允许可用范围内变化；

步骤3.5：将进气侧单向层铣刀具轨迹10和排气侧单向层铣刀具轨迹11进行逐层组合，形成单向层铣组合刀具轨迹12，按层数标记为R₁₁₉，R₁₂₀，...R₁₅₉，组合后每层轨迹具有6条刀轨，每层轨迹的进刀和退刀保证在叶型同侧，单向层铣不加工前后缘圆弧；

步骤3.6：对三维型腔往复层铣区域6、三维锐角型腔单向层铣区域7内的粗铣刀具轨迹R₁，R₂，...R₁₅₉进行切削力分析与优化，降低切削力峰值，均衡材料切削去除量；

步骤3.7：选定三维锐角型腔对接插铣区域8，将切削区域8沿整体叶轮轴向细分成进气侧插铣区域与排气侧插铣区域，从叶尖到叶根方向参数化深度为0.985～1；

步骤3.8：在进气侧插铣区域从进气侧进刀，刀具倾斜角度相对刀具路径保持恒定，计算进气侧插铣刀具轨迹13，选择直径Φ11mm的插铣刀具，刀具半径不小于变叶根圆角的最大值R5.45mm，从进气侧插铣时加工前缘圆弧；

步骤3.9：在排气侧插铣区域从排气侧进刀，刀具倾斜角度相对刀具路径保持恒定，计算排气侧插铣刀具轨迹14，选择直径Φ11mm的插铣刀具，刀具半径不小于变叶根圆角的最大值R5.45mm，从排气侧插铣时加工后缘圆弧；

步骤4：组合叶型粗精刀具轨迹；

计算整个叶身型面精铣刀具轨迹，将叶型精铣轨迹沿叶尖到叶根方向细分成159段，按段数标记为F₁，F₂，...F₁₅₉，将粗铣刀轨与精铣刀轨组合为R₁，F₁，...R₁₅₉，F₁₅₉；

步骤5：选择变叶根圆角加工刀具和切削厚度；

变叶根圆角15在叶片1与流道2的不同转接区域采用不同的叶根圆角值，最大叶根圆角值R_max位于弦长中部区域，最小叶根圆角值R_min位于前后缘区域；综合考虑刀具加工刚性与变叶根圆角大小，选择直径Φ5mm的球铣刀加工，粗铣圆角每层去除材料最大厚度为0.35mm，粗铣圆角为精铣圆角留0.15mm余量；

步骤6：构建变叶根圆角多重工艺模型；

依据不同区域的叶根圆角数据，在保持粗清根每层最大切削厚度恒定的条件下，计算多重工艺模型构造数据，如表1所示，构建多重变叶根圆角工艺模型；

表1多重工艺模型构建数据

步骤7：计算变叶根圆角分层递进加工轨迹；

基于多重变叶根圆角工艺模型，分别从叶身、流道交替向叶根方向走刀，计算变叶根圆角分层递进加工轨迹；

步骤8：叶型减振铣削验证；

使用叶型粗精组合刀具轨迹与变叶根圆角分层递进加工轨迹，进行叶身型面与变叶根圆角加工，经验证加工过程平稳，刀轴摆动幅度适中，刀具正常磨损，加工表面无振纹，整体叶轮叶片部位的成型精度和表面质量符合图纸要求。

Claims (1)

1.一种整体叶轮大扭转变圆角叶型的减振铣削方法，其特征在于，该方法以刀具前倾角变化范围作为铣削平稳性评价指标，沿叶展方向将粗铣区域依次划分为三维型腔往复层铣区域、三维锐角型腔单向层铣区域、三维锐角型腔对接插铣区域，在变叶根圆角区域以切削去除量均匀性作为铣削稳定性评价指标，依据多重变叶根圆角模型分层递进加工，并通过切削力优化及粗精组合加工方法，最终使整体叶轮获得良好的加工精度和表面质量；

该方法包括以下步骤：

步骤1：选定刀具前倾角变化范围；

在叶型粗开槽加工轨迹设计中，依据刀具前倾角对叶型铣削平稳性的影响程度，结合叶型扭转、叶展长度、工件材料及刀具长径比，对刀具前倾角的变化范围进行选定区分，将刀具前倾角的允许可用范围设为-30°～10°；

步骤2：划分粗开槽加工区域；

大扭转变圆角整体叶轮的叶片与流道构成三维型腔，三维型腔在中下部有进气侧三维锐角区和排气侧三维锐角区；依据刀具前倾角变化范围，从叶尖到叶根方向将三维型腔依次划分为三维型腔往复层铣区域、三维锐角型腔单向层铣区域以及三维锐角型腔对接插铣区域；

步骤3：计算粗开槽刀具轨迹；

步骤3.1：选定三维型腔往复层铣区域，计算往复层铣轨迹，在三维型腔往复层铣区域刀具前倾角在理想范围内变化，将往复层铣轨迹按层数标记为R₁，R₂，…R_i，每层轨迹具有偶数条刀轨，每层轨迹的进刀和退刀保证在叶型同侧，往复层铣不加工前后缘圆弧；

步骤3.2：选定三维锐角型腔单向层铣区域，将三维锐角型腔单向层铣区域沿整体叶轮周向细分为进气侧三维锐角型腔区域A_2L和排气侧三维锐角型腔区域A_2T两部分；

步骤3.3：针对进气侧三维锐角区，在进气侧三维锐角型腔区域A_2L选择从进气侧向排气侧单向加工策略，最大程度降低刀轴摆动幅度，计算进气侧单向层铣刀具轨迹，按层数标记为RL_i+1，RL_i+2，…RL_j，在区域A_2L刀具前倾角在允许可用范围内变化；

步骤3.4：针对排气侧三维锐角区，在排气侧三维锐角型腔区域A_2T选择从排气侧向进气侧单向加工策略，最大程度降低刀轴摆动幅度，计算排气侧单向层铣刀具轨迹，按层数标记为RT_i+1，RT_i+2，…RT_j，在区域A_2T刀具前倾角在允许可用范围内变化；

步骤3.5：将进气侧单向层铣刀具轨迹和排气侧单向层铣刀具轨迹进行逐层组合，形成单向层铣组合刀具轨迹，按层数标记为R_i+1，R_i+2，…R_j，组合后每层轨迹具有偶数条刀轨，每层轨迹的进刀和退刀保证在叶型同侧，单向层铣不加工前后缘圆弧；

步骤3.6：对三维型腔往复层铣区域、三维锐角型腔单向层铣区域内的粗铣刀具轨迹R₁，R₂，…R_j进行切削力分析与优化，降低切削力峰值，均衡材料切削去除量；

步骤3.7：选定三维锐角型腔对接插铣区域，将切削区域沿整体叶轮轴向细分成进气侧插铣区域与排气侧插铣区域；

步骤3.8：在进气侧插铣区域从进气侧进刀，刀具倾斜角度相对刀具路径保持恒定，计算进气侧插铣刀具轨迹，插铣刀具半径应不小于变叶根圆角的最大值，从进气侧插铣时加工前缘圆弧；

步骤3.9：在排气侧插铣区域从排气侧进刀，刀具倾斜角度相对刀具路径保持恒定，计算排气侧插铣刀具轨迹，插铣刀具半径应不小于变叶根圆角的最大值，从排气侧插铣时加工后缘圆弧；

步骤4：组合叶型粗精刀具轨迹；

计算整个叶身型面精铣刀具轨迹，将叶型精铣轨迹沿叶尖到叶根方向进行细分，按段数标记为F₁，F₂，...F_j，将粗铣刀轨与精铣刀轨组合为R₁，F₁，...R_j，F_j；

步骤5：选择变叶根圆角加工刀具和切削厚度；

变叶根圆角在叶片与流道的不同转接区域采用不同的叶根圆角值，最大叶根圆角值R_max位于弦长中部区域，最小叶根圆角值R_min位于前后缘区域；综合考虑刀具加工刚性与变叶根圆角大小，选择叶根圆角铣削刀具直径D_tool≤(2R_min～0.5)，粗铣圆角每层去除材料最大厚度T_max在0.05D_tool～0.1D_tool之间，粗铣圆角为精铣圆角留0.1～0.3mm余量；

步骤6：构建变叶根圆角多重工艺模型；

依据不同区域的叶根圆角数据，在保持粗清根每层最大切削厚度T_max恒定的条件下，计算多重工艺模型构造数据，构建多重变叶根圆角工艺模型；

步骤7：计算变叶根圆角分层递进加工轨迹；

基于多重变叶根圆角工艺模型，分别从叶身、流道交替向叶根方向走刀，计算变叶根圆角分层递进加工轨迹；

步骤8：叶型减振铣削验证；

使用叶型粗精组合刀具轨迹与变叶根圆角分层递进加工轨迹，进行叶身型面与变叶根圆角加工，验证加工过程是否平稳；若叶型铣削过程存在明显振动，可按步骤3～步骤7重新调整加工区域和刀具轨迹，再次进行铣削验证。

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