CN114749707A - 闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法，包括步骤：闭式整体叶盘通道待加工区域划分、进排气边加工区域划分、粗加工开槽刀路轨迹规划、粗加工型面刀路轨迹规划及闭式整体叶盘粗加工组合刀路轨迹的规划五个基本步骤，本方法能够使闭式整体叶盘在五轴数控机床上实现正反面各一次装夹的情况下完成粗加工的铣削，有效减少重复装夹所带来的误差，很大提升了叶片加工时的刚性，使整体叶盘粗加工余量分布均布；明显提高加工效率，提高刀具使用寿命，可被广泛应用在不锈钢、钛合金和高温合金闭式整体叶盘粗加工过程中，该技术是航空发动机闭式整体叶盘加工中的关键技术，也可应用于类似零件的加工过程中。

Description

闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法

技术领域

本发明涉及数控铣削加工制造领域，具体涉及到一种闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法。

背景技术

闭式整体叶盘属高精度复杂难切削结构件，具有壁薄、刚度差、易变形、切除材料大等工艺特征，采用精密铸造或锻造等手段，工艺难度很大，而且难以满足高性能航空发动机对成形精度和质量的严格要求。在这种情形下，为了制造出满足现代设计要求的高质量部件，必须采用先进的数控精密切削工艺技术，才能满足质量要求，实现较高的表面加工精度和加工效率。

针对闭式整体叶盘结构而言，其通道两侧为薄壁叶型曲面，两端同时受到内外环的约束，通道狭窄，开敞性差，通道由四张通道曲面构成，在加工过程中，刀具可能与一张被加工曲面和三张约束曲面中的任何一张曲面产生碰撞干涉，刀具碰撞干涉问题非常复杂。

目前，国内外广泛采用五轴数控铣削方法来加工闭式整体叶盘，但是由于闭式整体叶盘叶片结构复杂、加工精度要求高、叶片型面为空间自由曲面等原因，加工过程中易出现变形、颤纹、分段加工易出现接刀痕从而使加工精度达不到设计要求，因此，需要探索新型工艺方法来满足要求。

整体叶盘类零件的锻造毛坯与最终成品零件之间的待去除材料很多，约90％以上，其中绝大部分是在粗加工阶段去除的。因此，如何提高粗加工效率及材料去除率不仅对缩短加工时间、降低加工成本有重要意义，而且也显著影响后续的精加工叶型加工过程。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种使闭式整体叶盘类零件的粗加工余量分布均匀，提高闭式整体叶轮或叶盘的加工质量，方便控制加工刀轴提高加工精度的一种闭式整体叶盘的五轴通道粗铣加工方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法，包括以下步骤：

步骤一、闭式整体叶盘的通道待加工区域的划分：建立闭式整体叶盘内轮毂的偏置面和外轮毂的偏置面，并在所述的内轮毂的偏置面和外轮毂的偏置面之间建立相邻两叶片的叶背面的偏置面和叶盆面的偏置面；所述相邻两叶片的叶片前缘最高点所对应的曲线和后缘最低点所对应的曲线绕所述闭式整体叶盘回转轴旋转得到两个回转面，所述的两个回转面及所述叶背面的偏置面、叶盆面的偏置面、内轮毂的偏置面和外轮毂的偏置面围成的区域为所述闭式整体叶盘通道待加工区域，所述叶背偏置面和叶盆偏置面的偏置距离为叶片粗加工余量，内轮毂的偏置面的偏置距离为内轮毂粗加工余量；

步骤二、闭式整体叶盘通道排气边与进气边加工区域划分：分别在所述相邻两叶片的叶背偏置面或叶盆偏置面上取叶尖子午线端点和叶根子午线端点，并提取所述叶尖子午线端点和叶根子午线端点连线的中点，将提取的中点连线并绕所述闭式整体叶盘回转轴旋转，形成所述闭式整体叶盘排气边与进气边的区域的加工分界面，由所述排气边与进气边的区域中分界面将所述通道分隔成的两个区域分别为排气边加工区域和进气边加工区域；

步骤三、闭式整体叶盘通道的粗加工开槽刀路轨迹的规划：分别对所述的进气边加工区域和排气边加工区域由叶片前缘或叶片后缘逐层向所述的加工分界面对接铣削加工，铣削刀路为回字形，逐层铣削的回字形刀路轨迹即为粗加工开槽刀路轨迹；

一般的，对于铝合金、不锈钢等易铣削零件，切深为3～4mm，进给量为100～150mm/min，刀具转速为1500～2000rpm，对于高温合金难切削零件，切深设为2～3mm，进给量为70～100mm/min，刀具转速为1000～1500rpm；

步骤四、闭式整体叶盘的叶片型面粗加工刀路轨迹的规划：沿着步骤三中所述的粗加工开槽刀路轨迹，逐层向所述的加工分界面对接铣削加工，铣削刀路为口字形，逐层铣削的口字形刀路轨迹依次由叶片的叶背向外轮毂、叶盆、内轮毂延伸铣削，从而构造成为完整的叶片型面粗加工刀路轨迹；

步骤五、闭式整体叶盘粗加工组合刀路轨迹(13)的规划：将步骤三所述的粗加工开槽刀路轨迹(11)和步骤四所述的叶片型面粗加工刀路轨迹(12)合并形成粗加工组合刀路轨迹(13)，所述粗加工开槽刀路轨迹(11)的铣削深度比叶片型面粗加工刀路轨迹(12)的铣削深度深至少一个刀具半径，且粗加工组合刀路轨迹(13)是在所述粗加工开槽刀路轨迹(11)铣削完L层后，则叶片型面粗加工刀路轨迹(12)随之铣削的数量为NL，且交替铣削，当最后一层粗加工开槽刀路轨迹(11)完成后，继续进行叶片型面粗加工刀路轨迹(12)，直至完成型面的粗加工；所述的N、L均为整数且大于等于1。

进一步的，步骤二中所述加工分界面的最低点到所述排气边加工区域的最高点距离是所述闭式整体叶盘通道总高度的60～70％。

进气边加工区域和排气边加工区域可以按照实际通道开敞性及刀具大小进行划分；对于通道稍开敞的闭式整体叶盘，正、反面粗加工刀具外露刀长对刀具刚性影响较小时；对于通道开敞性较差的闭式整体叶盘，正面粗加工刀具外露较长，影响刀具刚性，可将上述加工分界面向进气边移动，即新的加工分界面最低点到排气边最高点的距离是通道总高度的70％，通道总高为叶片前缘最高点和叶片后缘最低点之间的距离，用于使所述闭式整体叶盘通道具有更好的开敞性。

进一步的，步骤三中所述粗加工开槽刀路轨迹由对接加工分界面至叶片前缘或叶片后缘的回字形刀路轨迹半径逐层增大，且所述粗加工开槽刀路轨迹行距为刀具直径的1/4～1/5。

进一步的，在步骤三中采用的刀具为在通道内用于加工的最大直径刀具，加工每一层所述的粗加工开槽刀路轨迹的第一刀为满刀切削，开槽切深2～4mm，刀具转速为1000～2000rpm，铣削速度为100～200mm/min，进给量设为标准进给量的50～60％，刀具靠近相邻两叶片型面的进给量为标准进给量的60～70％；刀具进给量标准铣削值为70～150mm/min；加工余量为1.2～1.5mm，。

进一步的，所述的步骤三是在五轴数控机床上，加工所述排气边加工区域和进气边加工区域时，各装夹一次所述的闭式整体叶盘，完成所述闭式整体叶盘通道的粗加工开槽刀路轨迹的规划。

进一步的，所述的步骤四中所述的叶片型面粗加工刀路轨迹在叶背刀路轨迹中点处设置半圆弧进退刀，当一层所述口字形刀路轨迹铣削结束时，通过圆弧退刀退出外轮毂，再直线移动到下一层口字形刀路轨迹铣削的圆弧进刀起点处，开始下一层的型面粗加工，刀具切深为1.0～1.2mm，进给量为400～500mm/min，转速为3000～4000rpm，加工余量为0.8～1.2mm。

进一步的，步骤四中所述粗加工开槽刀路轨迹铣削用刀具直径与叶片型面粗加工刀路轨迹铣削用刀具直径相同。

进一步的，所述的步骤五中当一层粗加工开槽刀路轨迹铣削结束时，刀具从退刀处直线移动到叶片型面粗加工刀路轨迹铣削的圆弧进刀起点处，开始叶片型面粗加工，当叶片型面粗加工刀路轨迹铣削结束时，刀具从圆弧退刀点直线移动到下一层开槽刀路轨迹铣削的进刀点，所述的每一层型面粗加工的圆弧进退刀半径值大于1，且采用半圆弧。

进一步的，所述步骤三和步骤四中使用的铣削刀具为硬质合金棒棒糖球形铣刀或硬质球头刀。

进一步的，所述的粗加工开槽刀路轨迹、叶片型面粗加工刀路轨迹及粗加工组合刀路轨迹均采用五轴联动机床进行铣削。

本发明的有益效果是：采用本发明的技术方案针对闭式整体叶盘的五轴粗加工而提出，该方法能够使闭式整体叶盘在五轴数控机床上实现正反面各一次装夹的情况下完成粗加工的铣削，有效减少重复装夹所带来的误差，很大提升了叶片加工时的刚性，采用了粗铣分层铣削法，每层刀路“回”字形的走刀方式，使整体叶盘粗加工余量分布均布，加工精度满足设计的要求，同时，在加工叶片型面时采用圆弧进退刀铣削加工，避免了叶身型面和圆角及内外轮毂之间的接刀。

本发明的技术方案可以广泛应用在闭式整体叶盘铝合金、不锈钢、高温合金闭式整体叶盘叶片铣削加工过程中，实践证明本发明中的技术方案在提高闭式整体叶盘加工质量和加工效率方面有显著效果，并且产生了巨大的经济效益。

附图说明

图1是本发明闭式整体叶盘通道待加工区域划分示意图；

图2是本发明闭式整体叶盘通道进排气边粗加工区域划分示意图；

图3是本发明闭式整体叶盘通道粗加工开槽刀路轨迹铣削示意图；

图4是本发明闭式整体叶盘叶片型面粗加工刀路轨迹铣削示意图；

图5是本发明闭式整体叶盘通道粗加工开槽刀路轨迹和叶片型面粗加工刀路轨迹组合铣削示意图。

图中：1、叶片，2、外流道，3、内流道，4、内轮毂偏置面，5、外轮毂偏置面，6、叶背偏置面，7、叶盆偏置面，8、排气边加工区域，9、进气边加工区域，10、加工分界面，11、粗加工开槽刀路轨迹，12、叶片型面粗加工刀路轨迹，13、粗加工组合刀路轨迹。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

为了实现上述目的，本发明提供一下具体实施方式：

实施例1：如图1-5所示，一种闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法，包括以下步骤：

步骤一、如图1所示，闭式整体叶盘的通道待加工区域的划分：建立闭式整体叶盘内轮毂的偏置面4和外轮毂的偏置面5，并在内轮毂的偏置面4和外轮毂的偏置面5之间建立相邻两叶片1的叶背面的偏置面6和叶盆面的偏置面7；相邻两叶片1的叶片前缘最高点所对应的曲线和后缘最低点所对应的曲线绕闭式整体叶盘回转轴旋转得到两个回转面，两个回转面及叶背面的偏置面6、叶盆面的偏置面7、内轮毂的偏置面4和外轮毂的偏置面5围成的区域为闭式整体叶盘通道待加工区域，叶背偏置面6和叶盆偏置面7的偏置距离为叶片粗加工余量，内轮毂的偏置面4的偏置距离为内轮毂粗加工余量；

步骤二、如图2所示，闭式整体叶盘通道排气边与进气边加工区域划分：分别在相邻两叶片1的叶背偏置面6或叶盆偏置面7上取叶尖子午线端点和叶根子午线端点，并提取叶尖子午线端点和叶根子午线端点连线的中点，将提取的中点连线并绕闭式整体叶盘回转轴旋转，形成闭式整体叶盘排气边与进气边的区域的加工分界面10，由排气边与进气边的区域中分界面10将通道分隔成的两个区域分别为排气边加工区域8和进气边加工区域9；

加工分界面10的最低点到排气边加工区域8的最高点距离是闭式整体叶盘通道总高度的60～70％。

步骤三、如图3所示，闭式整体叶盘通道的粗加工开槽刀路轨迹11的规划：分别对进气边加工区域9和排气边加工区域8由叶片前缘或叶片后缘逐层向加工分界面10对接铣削加工，铣削刀路为回字形，逐层铣削的回字形刀路轨迹即为粗加工开槽刀路轨迹11；

粗加工开槽刀路轨迹11由对接加工分界面10至叶片前缘或叶片后缘的回字形刀路轨迹半径逐层增大，且粗加工开槽刀路轨迹11行距为刀具直径的1/4～1/5。

在步骤三中采用的刀具为在通道内用于加工的最大直径刀具，加工每一层粗加工开槽刀路轨迹11的第一刀为满刀切削，开槽切深2～4mm，刀具转速为1000～2000rpm，铣削速度为100～200mm/min，进给量设为标准进给量的50～60％，刀具靠近相邻两叶片1型面的进给量为标准进给量的60～70％；刀具进给量标准铣削值为70～150mm/min；加工余量为1.2～1.5mm，。

步骤三是在五轴数控机床上，加工排气边加工区域8和进气边加工区域9时，各装夹一次闭式整体叶盘，完成闭式整体叶盘通道的粗加工开槽刀路轨迹11的规划。

步骤四、如图4所示，闭式整体叶盘的叶片型面粗加工刀路轨迹12的规划：沿着步骤三中粗加工开槽刀路轨迹11，逐层向加工分界面10对接铣削加工，铣削刀路为口字形，逐层铣削的口字形刀路轨迹依次由叶片的叶背向外轮毂、叶盆、内轮毂延伸铣削，从而构造成为完整的叶片型面粗加工刀路轨迹12；

步骤四中叶片型面粗加工刀路轨迹12在叶背刀路轨迹中点处设置半圆弧进退刀，当一层口字形刀路轨迹铣削结束时，通过圆弧退刀退出外轮毂，再直线移动到下一层口字形刀路轨迹铣削的圆弧进刀起点处，开始下一层的型面粗加工，刀具切深为1.0～1.2mm，进给量为400～500mm/min，转速为3000～4000rpm，加工余量为0.8～1.2mm。步骤四中粗加工开槽刀路轨迹11铣削用刀具直径与叶片型面粗加工刀路轨迹12铣削用刀具直径相同。

步骤五、如图5所示，闭式整体叶盘粗加工组合刀路轨迹(13)的规划：将步骤三所述的粗加工开槽刀路轨迹(11)和步骤四所述的叶片型面粗加工刀路轨迹(12)合并形成粗加工组合刀路轨迹(13)，所述粗加工开槽刀路轨迹(11)的铣削深度比叶片型面粗加工刀路轨迹(12)的铣削深度深至少一个刀具半径，且粗加工组合刀路轨迹(13)是在所述粗加工开槽刀路轨迹(11)铣削完L层后，则叶片型面粗加工刀路轨迹(12)随之铣削的数量为NL，且交替铣削，当最后一层粗加工开槽刀路轨迹(11)完成后，继续进行叶片型面粗加工刀路轨迹(12)，直至完成型面的粗加工；所述的N、L均为整数且大于等于1。

步骤五中当一层粗加工开槽刀路轨迹11铣削结束时，刀具从退刀处直线移动到叶片型面粗加工刀路轨迹12铣削的圆弧进刀起点处，开始叶片型面粗加工，当叶片型面粗加工刀路轨迹12铣削结束时，刀具从圆弧退刀点直线移动到下一层开槽刀路轨迹11铣削的进刀点，每一层型面粗加工的圆弧进退刀半径值大于1，且采用半圆弧。

步骤三和步骤四中使用的铣削刀具为硬质合金棒棒糖球形铣刀或硬质球头刀。粗加工开槽刀路轨迹11、叶片型面粗加工刀路轨迹12及粗加工组合刀路轨迹13均采用五轴联动机床进行铣削。

本发明的技术方案可以被广泛应用在闭式整体叶盘铝合金、不锈钢、高温合金闭式整体叶盘叶片铣削加工过程中。实践证明本发明中的技术方案在提高闭式整体叶盘加工质量和加工效率方面有显著效果,并且产生了巨大的经济效益。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、闭式整体叶盘的通道待加工区域的划分：建立闭式整体叶盘内轮毂的偏置面(4)和外轮毂的偏置面(5)，并在所述的内轮毂的偏置面(4)和外轮毂的偏置面(5)之间建立相邻两叶片(1)的叶背面的偏置面(6)和叶盆面的偏置面(7)；所述相邻两叶片(1)的叶片前缘最高点所对应的曲线和后缘最低点所对应的曲线绕所述闭式整体叶盘回转轴旋转得到两个回转面，所述的两个回转面及所述叶背面的偏置面(6)、叶盆面的偏置面(7)、内轮毂的偏置面(4)和外轮毂的偏置面(5)围成的区域为所述闭式整体叶盘通道待加工区域，所述叶背偏置面(6)和叶盆偏置面(7)的偏置距离为叶片粗加工余量，内轮毂的偏置面(4)的偏置距离为内轮毂粗加工余量；

步骤二、闭式整体叶盘通道排气边与进气边加工区域划分：分别在所述相邻两叶片(1)的叶背偏置面(6)或叶盆偏置面(7)上取叶尖子午线端点和叶根子午线端点，并提取所述叶尖子午线端点和叶根子午线端点连线的中点，将提取的中点连线并绕所述闭式整体叶盘回转轴旋转，形成所述闭式整体叶盘排气边与进气边的区域的加工分界面(10)，由所述排气边与进气边的区域中分界面(10)将所述通道分隔成的两个区域分别为排气边加工区域(8)和进气边加工区域(9)；

步骤三、闭式整体叶盘通道的粗加工开槽刀路轨迹(11)的规划：分别对所述的进气边加工区域(9)和排气边加工区域(8)由叶片前缘或叶片后缘逐层向所述的加工分界面(10)对接铣削加工，铣削刀路为回字形，逐层铣削的回字形刀路轨迹即为粗加工开槽刀路轨迹(11)；

步骤四、闭式整体叶盘的叶片型面粗加工刀路轨迹(12)的规划：沿着步骤三中所述的粗加工开槽刀路轨迹(11)，逐层向所述的加工分界面(10)对接铣削加工，铣削刀路为口字形，逐层铣削的口字形刀路轨迹依次由叶片的叶背向外轮毂、叶盆、内轮毂延伸铣削，从而构造成为完整的叶片型面粗加工刀路轨迹(12)；

步骤五、闭式整体叶盘粗加工组合刀路轨迹(13)的规划：将步骤三所述的粗加工开槽刀路轨迹(11)和步骤四所述的叶片型面粗加工刀路轨迹(12)合并形成粗加工组合刀路轨迹(13)，所述粗加工开槽刀路轨迹(11)的铣削深度比叶片型面粗加工刀路轨迹(12)的铣削深度深至少一个刀具半径，且粗加工组合刀路轨迹(13)是在所述粗加工开槽刀路轨迹(11)铣削完L层后，则叶片型面粗加工刀路轨迹(12)随之铣削的数量为NL，且交替铣削，当最后一层粗加工开槽刀路轨迹(11)完成后，继续进行叶片型面粗加工刀路轨迹(12)，直至完成型面的粗加工；所述的N、L均为整数且大于等于1。

2.如权利要求1所述的闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法，其特征在于，步骤二中所述加工分界面(10)的最低点到所述排气边加工区域(8)的最高点距离是所述闭式整体叶盘通道总高度的60～70％。

3.如权利要求1所述的闭式整体叶盘五轴通道开槽粗铣加工方法，其特征在于，步骤三中所述粗加工开槽刀路轨迹(11)由对接加工分界面(10)至叶片前缘或叶片后缘的回字形刀路轨迹半径逐层增大，且所述粗加工开槽刀路轨迹(11)行距为刀具直径的1/4～1/5。

4.如权利要求3所述的闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法，其特征在于，在步骤三中采用的刀具为在通道内用于加工的最大直径刀具，加工每一层所述的粗加工开槽刀路轨迹(11)的第一刀为满刀切削，开槽切深2～4mm，刀具转速为1000～2000rpm，铣削速度为100～200mm/min，进给量设为标准进给量的50～60％，刀具靠近相邻两叶片(1)型面的进给量为标准进给量的60～70％；刀具进给量标准铣削值为70～150mm/min；加工余量为1.2～1.5mm。

5.如权利要求1所述的闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法，其特征在于，所述的步骤三是在五轴数控机床上，加工所述排气边加工区域(8)和进气边加工区域(9)时，各装夹一次所述的闭式整体叶盘，完成所述闭式整体叶盘通道的粗加工开槽刀路轨迹(11)的规划。

6.如权利要求1所述的闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法，其特征在于，所述的步骤四中所述的叶片型面粗加工刀路轨迹(12)在叶背刀路轨迹中点处设置半圆弧进退刀，当一层口字形刀路轨迹铣削结束时，通过圆弧退刀退出外轮毂，再直线移动到下一层口字形刀路轨迹铣削的圆弧进刀起点处，开始下一层的型面粗加工，刀具切深为1.0～1.2mm，进给量为400～500mm/min，转速为3000～4000rpm，加工余量为0.8～1.2mm。

7.如权利要求6所述的闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法，其特征在于，步骤四中所述粗加工开槽刀路轨迹(11)铣削用刀具直径与叶片型面粗加工刀路轨迹(12)铣削用刀具直径相同。

8.如权利要求1所述的闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法，其特征在于，所述的步骤五中当一层粗加工开槽刀路轨迹(11)铣削结束时，刀具从退刀处直线移动到叶片型面粗加工刀路轨迹(12)铣削的圆弧进刀起点处，开始叶片型面粗加工，当叶片型面粗加工刀路轨迹(12)铣削结束时，刀具从圆弧退刀点直线移动到下一层开槽刀路轨迹(11)铣削的进刀点，所述的每一层型面粗加工的圆弧进退刀半径值大于1，且采用半圆弧。

9.如权利要求1-8任一所述的闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法，其特征在于，所述步骤三和步骤四中使用的铣削刀具为硬质合金棒棒糖球形铣刀或硬质球头刀。

10.如权利要求1-8所述的闭式整体叶盘五轴通道粗铣加工方法，所述的粗加工开槽刀路轨迹(11)、叶片型面粗加工刀路轨迹(12)及粗加工组合刀路轨迹(13)均采用五轴联动机床进行铣削。

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