CN113231677B - 一种整体叶轮超薄叶片防震动铣削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整体叶轮超薄叶片防震动铣削方法，包括叶片的粗铣和精铣或粗铣、半精铣和精铣，叶片粗铣时或叶片半精铣时在叶片上增设支撑筋，在叶片精铣时去除支撑筋。支撑筋位于叶片的曲面两侧面，与叶片的曲面结合为一体，支撑筋沿着叶片长度方向延伸，且由整体叶轮的轮毂小直径端向整体叶轮外缘大直径端呈射线状分布。采用本发明的铣削方法，减小了叶片变形，保证了叶片曲面的面轮廓度的技术要求。改善和提高了零件叶片的切削刚性，减少了切削震动，保证并提高叶片表面质量，避免了叶片前、后缘的出现崩裂及弯曲现象。

Description

一种整体叶轮超薄叶片防震动铣削方法

技术领域

本发明涉及航空、航天等领域中的超薄复杂曲面叶片整体叶轮系零件，特别是整体叶轮上超薄叶片的铣削方法。

背景技术

超薄复杂曲面叶片整体叶轮作为现代航空、航天环控系统、高科技设备环控系统和航空发动机系的关键核心零部件，其制造精度、制造质量不仅影响部件工作效率，更关系到部件运行的可靠性、稳定性。

在这类产品首次及多年制造过程中，采用以往常规的加工工艺方法已经不能保障设计要求，主要问题表现在：切削震动大、叶片表面粗糙、叶片前、后缘常出现崩裂现象，叶片曲面的形状精度差，加工合格率低(不足30％)，影响产品的性能稳定性。一直以来，上述问题在产品的加工过程中成为了的工艺技术瓶颈，严重影响了产品生产进度和产品质量。

发明内容

为解决现有加工技术中存在的问题，本发明旨在提供一种整体叶轮超薄叶片防震动铣削方法，针对现有整体叶轮超薄叶片切削加工中易出现较大的切削震动、叶片表面粗糙、叶片前、后缘常出现崩裂现象、叶片曲面的形状精度差以及加工合格率低的问题，给出解决方案和解决思路，并实现以下目标：

1.在叶片粗铣加工时进行控制，减小叶片变形，保证叶片曲面的面轮廓度的技术要求。

2.改善和提高零件叶片的切削刚性，减少切削震动，保证并提高叶片表面质量。

3.避免叶片前、后缘的出现崩裂及弯曲现象。

本发明是通过如下方案予以实现的：

一种整体叶轮超薄叶片防震动铣削方法，包括叶片的粗铣和精铣或粗铣、半精铣和精铣，叶片粗铣时或叶片半精铣时在叶片上预留支撑筋，在叶片精铣时去除支撑筋。

需要说明的是，预留的含义是指在切削过程中保留叶片上的一部分区域不切削，进而形成支撑筋，然后在后续切削过程中去除该区域。当然，本发明中的预留也可以扩展为在叶片曲面两侧额外增加连接其它材料或同种材料，形成支撑筋。

叶片加工时，根据叶片长度与厚度的比值大小来选择采用粗铣和精铣，或者粗铣、半精铣和精铣，当采用前者时(比值较小，叶片加工刚性相对较好)，在粗铣时预留支撑筋，当采用后者时(比值较大，叶片加工刚性相对较差)，在粗铣或半精铣时预留支撑筋。

对于直径较大的整体叶轮，支撑筋由于尺寸较大，也可以称为支撑柱，对于直径较小的整体叶轮，直接称之为支撑筋。

优选的，所述支撑筋位于叶片的曲面两侧面(即叶片两个曲面表面上均有支撑筋)，与叶片的曲面结合为一体，支撑筋沿着叶片长度方向延伸，且由整体叶轮的轮毂小直径端向整体叶轮外缘的大直径端呈射线状分布，射线与整体叶轮径向的夹角α满足0.5°≤α≤40°。这里的整体叶轮的轮毂小直径端是指叶片叶根部与轮毂连接处的轮毂圆周直径处，其相对整体叶轮的外缘直径较小，所以称之为小直径端，而整体叶轮外缘的大直径端是指叶片叶尖处对应的圆周直径处，由于其大于轮毂直径，所以称之为整体叶轮的大直径端。射线状分布是指以整体叶轮的中心为原点向四周发散分布，且发散分布的射线与整体叶轮的径向线之间有夹角要求。支撑筋在叶片曲面上延伸时，其曲面曲率变化与叶片曲面曲率变化一致，随着叶片曲面曲率同步变化，无急剧的变化。

优选的，所述支撑筋到叶片前缘和尾缘的最小距离L满足0.2mm≤L≤10mm。该距离的设定是为了避免叶片前、后缘的出现崩裂及弯曲现象，即支撑筋到叶片前缘和支撑筋到叶片后缘的距离有最小值约束，该最小距离L需要满足前述取值。

优选的，所述支撑筋在叶片的曲面两侧面交错分布。这里的交错设置是指叶片两个曲面表面上的支撑筋不对称(即关于叶片的中性面对称)，例如叶片一侧曲面上的支撑筋与整体叶轮径向线之间的夹角为6°，另一侧曲面上的支撑筋与整体叶轮径向线之间的夹角不等于6°，从而形成交错；又如叶片一侧曲面上的支撑筋距离前缘的距离是3mm，另一侧曲面上的支撑筋距离前缘的距离是5mm，同样形成了交错。

作为一种选择，所述支撑筋在叶片单侧曲面上的数量N满足1≤N≤7。

作为一种选择，所述支撑筋为等厚度或变厚度，且支撑筋的厚度δ_支撑满足0.5δ_叶片≤δ_支撑≤10δ_叶片，其中δ_叶片为叶片厚度。

作为一种选择，所述支撑筋为等宽度或变宽度，且支撑筋的宽度θ_支撑满足1mm≤θ_支撑≤100mm。

作为一种选择，所述支撑筋与叶片结合处采用圆角R_过渡，圆角R_过渡大于切削刀具半径R_刀，取1.2R_刀≤R_过渡≤10R_刀。

作为一种选择，所述支撑筋为异形。需要说明的是，这里的异形是指支撑筋的截面形状可以是对称性较差的非标准几何形状，例如方形、圆形、正多边形等称为标准几何形状，而没有对称轴或者对称轴很少的曲面截面称为异形。

作为一种选择，所述支撑筋从叶片的叶根处延伸至叶片的叶尖处。

本发明通过合理在叶片曲面上设计、优化支撑结构，改善或减小超薄复杂曲面叶片的切削震动和变形，保障了整体叶轮零件叶片加工的高形状精度要求。经过多次实际加工的反复优化验证，最终得出了一套完善、合理、有效的铣削方法。

与现有技术相比，采用本发明的方法铣削超薄复杂曲面叶片类整体叶轮类零件，在粗加工或半精加工工序中设置异形支撑筋(或称为支撑柱)，可以实现该类零件叶片高的形状精度及高表面质量精度，保证了良好的产品质量，突破了现有加工方法中的加工瓶颈，满足整体叶轮超薄叶片的性能及设计要求。

附图说明

图1是本发明中整体叶轮中叶片支撑筋(支撑柱)的位置示意图；

图2是图1中叶片截面A-A处的放大示意图；

图3是本发明中整体叶轮上叶片支撑筋(支撑柱)的位置示意图，图中注明了叶片的铣削特征；

图4是图3中叶片截面A-A处的放大示意图，图中注明了叶片的铣削特征；

图中：1-整体叶轮外径，2-叶轮轮毂外径，3-整体叶轮的轴向，4-叶片，5-整体叶轮的径向，6-支撑筋，7-叶片根部，8-R_过渡。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。

本发明的核心思路是：超薄复杂曲面叶片类整体叶轮在铣切加工过程中，在叶片4粗加工或半精加工工序中设置异形支撑筋6，且异形支撑筋6满足以下条件：

1.异形支撑筋6的数量、分布合理，以控制、减小叶片4切削震动及变形最佳为宜。

2.异形支撑筋6的预留不能影响切削机床的运动平稳和切削机床的行程极限，不能带来切削运动干涉和碰撞，不应影响切削刀轨的流畅、刀轴矢量变化平稳。

3.异形支撑筋6的设置不应带来切削死角而造成二次切削震动。

4.异形支撑筋6的增设不应影响切削、切削力的平稳。

根据上述思路，超薄复杂曲面叶片整体叶轮在铣加工过程中增设异形支撑筋6的方案包括以下几个要点：

1)异形支撑筋6应增设在整体叶轮的叶片4粗加工(粗铣)或半精加工(半精铣)工序中。即：在五轴粗铣叶轮中形成异形支撑筋6，或者五轴半精铣中形成异形支撑筋6，最后五轴精铣叶轮过程中通过精铣去除异形支撑筋6，形成完整叶片4。

2)异形支撑筋6要在叶片粗加工(粗铣)或半精加工(半精铣)工序中预留，叶片4的曲面两侧面，与叶片4的曲面结合在一起，沿着整体叶轮的叶片4长度方向分布，由轮毂小直径端(图3中叶轮轮毂外径2处)

向大直径端(图3中整体叶轮外径1处)呈射线状分布，且异形支撑筋6与整体叶轮的径向5之间有一角度α，取0.5°≤α≤40°。

3)异形支撑筋6与叶片4两缘的距离满足：异形支撑筋6到叶片4的前缘和尾缘的最小距离为L，且取0.2mm≤L≤10mm。

4)异形支撑筋6在叶片4两个曲面侧面设置，且异形支撑筋6在叶片4两侧面应交错分布，每个侧面增设的异形支撑筋6数量位N处,N一般取1～7，以能控制、减小叶片4切削震动及变形最佳为宜。

5)异形支撑筋6的厚度设定：异形支撑筋6的厚度为δ_支撑，δ_支撑可设置为等厚度或者变厚度，记叶片4的厚度为δ_叶片，则取0.5δ_叶片≤δ_支撑≤10

δ_叶片。

6)异形支撑筋6的宽度设定：异形支撑筋6的宽度为θ_支撑，θ_支撑可设置为等宽度或变宽度，记叶片的宽度为θ_叶片，则取1mm≤θ_支撑≤100mm。

7)异形支撑筋6的增设不能影响切削机床的运动平稳，不应带来切削死角而造成的二次切削震动。不应影响切削及切削力的平稳。异形支撑筋6与叶片结合处采用R_过渡8来过渡，R_过渡8并应大于切削刀具半径R_刀，则：

取1.2R_刀≤R_过渡8≤10R_刀。

8)异形支撑筋6在设置过程中，还需要考虑的因素包括：

第一，支撑筋6形状可随型，变化不应急剧。支撑筋6随型是指支撑筋6的形状随着叶片曲面的形状相应变化，具体而言是指支撑筋6的曲面曲率变化随着叶片曲面的曲率变化，为了方便理解，也可以把支撑筋6简化为一条曲线，该曲线在叶片4的曲面上随着叶片4的曲面曲率同步变化。

第二，支撑筋6的设置，不能影响切削机床的运动平稳和行程极限。切削机床的运动参数值A_运动，应小于切削机床的极限参数值A_极限，即A_运动≤A_极限。

第三，支撑筋6的设置，不能给设备切削运动切削运动干涉和碰撞。

第四，支撑筋6的设置，不应影响切削刀具轨迹的流畅性、刀轴矢量变化的平稳性。

上述方法应用在超薄复杂曲面叶片类整体叶轮零件上，在粗铣加工或半精铣过程中进行控制，从而增强超薄叶片的切削刚性、减小叶片切削变形、减少切削震动，保证叶片曲面的面轮廓度精度，提高表面质量、避免叶片前、后缘的出现崩裂及弯曲现象。

如图1～图2所示，为一种典型的用于航空、航天环控系统、高科技设备环控系统等领域的关键核心零部件：复杂曲面超薄叶片整体叶轮，该叶轮要求较高的形状精度及表面质量。该叶轮制造精度、制造质量不仅影响部件工作效率，更关系到部件运行的可靠性、稳定性。长期以来，传统的加工工艺方法不能满足技术、设计性能要求。

针对图1～图4所示的复杂曲面超薄叶片整体叶轮，本实施例中采用了在铣削过程中增设异形支撑筋6的技术方案进行处理，具体包括：

1.异形支撑筋6增设在叶片4的粗加工(粗铣)过程中。

五轴叶轮粗铣中形成异形支撑筋6，然后五轴叶轮精铣中去除支撑筋6，形成完整叶片4。这里的五轴叶轮粗铣、五轴叶轮半精铣和五轴叶轮精铣是指应用五轴数控加工中心设备及相关工艺技术实施的粗铣、半精铣和精铣。

2.异形支撑筋6在叶片4的粗加工中预留，异形支撑筋6位于叶片4的曲面两侧面，与叶片4的曲面结合在一起，异形支撑筋6沿整体叶轮的叶片4长度方向分布(图3中标注了整体叶轮的轴向3)，由轮毂小直径(图3中叶轮轮毂外径2)向大直径端(图3中整体叶轮外径1)呈射线状分布，异形支撑筋6与整体叶轮的径向5之间有一角度α，角度α满足2°≤α≤20°。

3.异形支撑筋6与叶片4两缘的距离满足：异形支撑筋6到叶片4的前缘和尾缘的最小距离为L，取0.5mm≤L≤1mm。

4.异形支撑筋6在叶片4两侧面设置，如图4，异形支撑筋6在叶片4的两侧面应交错分布，每个侧面增设的异形支撑筋6数量为2处,以能控制、减小叶片切削震动及变形最佳为宜，图2中两个不同侧曲面上的异形支撑筋6到叶片4前缘和后缘的最小距离L以及与整体叶轮的径向5夹角不等，从而形成交错分布。

5.异形支撑筋6的厚度设定：异形支撑筋6的厚度δ_支撑，设置为等厚度，记叶片4的厚度为δ_叶片。则取1δ_叶片≤δ_支撑≤1.5δ_叶片。

6.异形支撑筋6的宽度设定：异形支撑筋6的宽度θ_支撑设置为等宽度，记叶片4的宽度为θ_叶片，取5mm≤θ_支撑≤10mm。

7.异形支撑筋6的预留不能影响切削机床的运动平稳，不应带来切削死角而造成的二次切削震动。不应影响切削及切削力的平稳。异形支撑筋6与叶片4结合处采用圆角过渡，即图4中的R_过渡8，图4中的R_过渡8实际包括了两种情况，第一种是异形支撑筋6与叶片4结合处圆角过渡(内凹R)，第二种情况是异形支撑筋6自身型面的过渡，即圆角过渡(外凸R)，两种情况下的R_过渡8均应大于切削刀具半径R_刀，取1.5R_刀≤R_过渡8≤2R_刀。叶片4的叶根处(与轮毂连接处)的倒角按照加工工艺要求即可。

8.异形支撑筋6在设置过程中还要考虑的因素包括：

第一，异形支撑筋6形状可随型(随叶片4曲面曲率变化而变化)，变化不应急剧。

第二，异形支撑筋6的设置不能影响切削机床的运动平稳和行程极限。则：切削机床的运动参数值A_运动，应小于切削机床的极限参数值A_极限，即A_运动＜A_极限。

第三，异形支撑筋6的设置不能给设备切削运动切削运动干涉和碰撞。

第四，异形支撑筋6的设置不应影响切削刀具轨迹的流畅性、刀轴矢量变化的平稳性。

Claims (9)

1.一种整体叶轮超薄叶片防震动铣削方法，包括叶片的粗铣和精铣或粗铣、半精铣和精铣，其特征在于：叶片粗铣时或叶片半精铣时在叶片上预留支撑筋，在叶片精铣时去除支撑筋；

所述支撑筋位于叶片的曲面两侧面，与叶片的曲面结合为一体，支撑筋沿着叶片长度方向延伸，且由整体叶轮的轮毂小直径端向整体叶轮外缘的大直径端呈射线状分布，射线与整体叶轮径向的夹角α满足0.5°≤α≤40°。

2.根据权利要求1所述的一种整体叶轮超薄叶片防震动铣削方法，其特征在于：所述支撑筋到叶片前缘和尾缘的最小距离L满足0.2mm≤L≤10mm。

3.根据权利要求1所述的一种整体叶轮超薄叶片防震动铣削方法，其特征在于：所述支撑筋在叶片的曲面两侧面交错分布。

4.根据权利要求1所述的一种整体叶轮超薄叶片防震动铣削方法，其特征在于：所述支撑筋在叶片单侧曲面上的数量N满足1≤N≤7。

5.根据权利要求1所述的一种整体叶轮超薄叶片防震动铣削方法，其特征在于：所述支撑筋为等厚度或变厚度，且支撑筋的厚度δ_支撑满足0.5δ_叶片≤δ_支撑≤10δ_叶片，其中δ_叶片为叶片厚度。

6.根据权利要求1所述的一种整体叶轮超薄叶片防震动铣削方法，其特征在于：所述支撑筋为等宽度或变宽度，且支撑筋的宽度θ_支撑满足1mm≤θ_支撑≤100mm。

7.根据权利要求1所述的一种整体叶轮超薄叶片防震动铣削方法，其特征在于：所述支撑筋与叶片结合处采用圆角R_过渡，圆角R_过渡大于切削刀具半径R_刀，取1.2R_刀≤R_过渡≤10R_刀。

8.根据权利要求1所述的一种整体叶轮超薄叶片防震动铣削方法，其特征在于：所述支撑筋为异形。

9.根据权利要求1所述的一种整体叶轮超薄叶片防震动铣削方法，其特征在于：所述支撑筋从叶片的叶根处延伸至叶片的叶尖处。

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