CN117020959A - 一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机整体叶盘制造技术领域，具体涉及一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法，结合磨粒水射流粗加工、电解加工及自适应抛光加工，形成了一体化加工方法，首先将对整体叶盘零件理论模型特征进行分析、简化、重构，构建整体叶盘水射流加工工艺模型，然后应用磨粒水射流设备进行叶身粗加工材料去除，之后确定双面进给电解精加工方式加工整体叶盘叶身、流道，之后通过砂带机器人对叶身、流道进行加工，最终完成整体叶盘精密加工。本专利结合磨粒水射流粗加工、电解加工及自适应抛光加工的优势，重新规划整体叶盘加工方式及技术路径，有效降低零件的加工难度，最终保证零件的尺寸精度、位置精度，并实现叶盘的高性能制造加工。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机整体叶盘制造技术领域，具体涉及一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法。
背景技术
随着航空发动机高推重比性能要求，整体叶盘结构消除了榫接叶盘榫齿根部缝隙中的逸流损失，避免了叶片和轮盘装配不当造成的微动磨损、裂纹以及锁片损坏带来的故障，同时零件数大大减少，有利于装配和平衡，因此，其综合了刚性好、平衡精度高、转子使用寿命高等优点，但整体叶盘广泛采用钛合金、高温合金等高性能金属材料，材料的可加工性差，又因叶盘辐板较薄、区域较大，叶型复杂、流道呈非线性且狭窄等结构特点，导致对其制造技术要求极高，也使整体叶盘的综合制造工艺技术成为世界性难题。
目前，整体叶盘主要的成型方式为数控铣削加工，但采用数控铣削的加工方式对加工策略规划、加工设备性能提出了很高的要求，同时加工质量难保证、加工效率较低、刀具使用寿命短，且手工抛光工人工作强度大、零件表面一致性差，需反复抛修，占用大量检测资源和时间。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法；具体技术方案如下：
一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法，包括结合磨粒水射流粗加工、电解加工及自适应抛光加工，形成一体化加工方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，对整体叶盘零件理论模型特征进行分析，完成整体叶盘水射流加工工艺模型构建；
考虑磨粒水射流加工的射流不可弯曲性，同时保证三维复杂曲面几何形状、加工精度及加工一致性的要求，对零件的进行特征分析、简化和重构，并基于形成最大无干涉包容的变切线切割路径原则，形成磨粒水射流加工的工艺模型；
所述磨粒水射流加工是软化水在增压后经喷嘴喷出后，具有极大的动能水线，对工件进行切割，高压水与磨料混合后以磨料对工件的冲击和切削作用为主，磨料颗粒对工件产生高频冲蚀，从而提高了高压水射流的加工能力和工作效率。
步骤二，根据磨粒水射流加工工艺模型，设置磨粒水射流加工的工艺参数，完成磨粒水射流程序编制；
所述磨粒水射流工艺参数具体为：加工压力350~400Mpa，磨粒供给不小于0.5kg/min，切割进给不大于30mm/min；
步骤三，将轨迹程序导入磨粒水射流加工设备的控制系统，按照规划的工艺路线，进行叶身去余量粗加工，加工后单边余量控制在0.2-0.5mm；
将零件安装在工装夹具上，找正，在磨粒水射流加工设备，基于工艺模型完成进气端磨粒水射流加工，之后翻转零件，进行排气端磨粒水射流加工；
步骤四，根据零件特征，确定进给电解精加工方式，加工整体叶盘叶身，制备专用阴极电极，设置电解加工的工艺参数；
所述电解加工是基于电化学反应阳性溶解机理去除材料的一种方法，具有无损耗、加工过程中无切削力等特点，适合难加工的加工。整体叶盘叶身电解加工可叶盆、叶背分别加工，也可叶盆叶背同时进给加工。
步骤五，打开电源与电解液，开始叶身、流道电解半精加工；
电解加工时叶背电极和叶盆电极相互靠拢，形成加工腔，电解液进入加工腔，实现叶片的精密电解加工；
步骤六，电解半精加工完成后，叶身型面余量在0.04mm-0.1mm，前后缘法向余量为0.06mm-0.1mm；
步骤七，根据电解加工后叶身型面及前后缘的三坐标测量结果，进行余量分析，并规划抛光路径及抛光参数，最终保证整体叶盘叶身、前后缘、流道等各区域尺寸精度及表面质量符合技术要求。
所述自适应砂带抛光加工是根据整体叶盘精加工后余量分布情况，自动规划加工区域、加工路径的一种砂带抛光方法。
所述余量分析是完成实际测量模型与理论模型配准后，以保证理论模型在公差范围内及余量最大均匀化为原则，确定整个叶身型面余量分布。
所述的一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法，其优选方案为，步骤七中，所述抛光路径规划分为两种方式：第一种方式是根据余量分析结果规划抛光区域及抛光路径；第二种方式是基于叶身创建若干截面，抛光路径为绕着截面线的螺旋运动，抛光路径上各点抛光参数的动态变化控制材料去除量。
所述的一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法，其优选方案为，抛光路线规划的第一种方式具体为首先粗抛光叶身型面余量最高区域，之后粗抛光叶身型面余量次高区域，粗抛光前后缘，最终精抛光整个叶身，保证叶身型面与前后缘圆滑过渡。其中粗抛砂带轮进给方向为纵向叶片积叠轴方向，精抛进给运动为沿叶身横向截面的螺旋运动。
所述的一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法，其优选方案为，步骤七中，所述砂带抛光参数设置如下：磨削叶片型面线速度为8m/s -12m/s,进排气边缘时线速度为12m/s -15m/s；砂带磨粒材质选择SiC、三氧化二铝,粗抛选择#180、#240、#320等磨粒砂带，精抛选择#1500、#2000的磨粒砂带，砂带张紧力控制在5N-10N。
所述的一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法，其优选方案为，步骤四中，设置电解加工工艺参数具体为：加工电压5v-25v，电导率60 ms/cm-140ms/cm，电解液压力5bar-16bar，电解液温度20℃-35℃，振动频率25Hz-45Hz，振动幅度0.25mm-0.45mm，振动给电角度60°-120°，进给速度0.1mm/min -1.0mm/min。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
本发明根据整体叶盘粗加工、半精加工及精加工各个阶段的特点以及要求，结合磨粒水射流粗加工、电解加工及自适应抛光加工的优势，重新规划整体叶盘加工方式及技术路径，优化整体叶盘加工方式及技术路径，确定不同适应性的加工方法，可有效弱化各个阶段零件的加工难度，有效降低零件的加工难度，
本发明的技术方案有效降低零件的加工难度，并将现有铣削加工周期从200小时降低至100小时以内，且可最终保证零件的尺寸精度、位置精度，从而提升加工效率和加工质量，并实现叶盘的高性能制造加工。
附图说明
图1为整体叶盘结构示意图；
图2为整体叶盘磨粒水射流加工截面示意图；
图3为整体叶盘电解精加工方法示意图；
图4为自适应砂带抛光技术方案流程图；
图5为加工后叶盘前缘实测轮廓图；
图6为加工后叶盘后缘实测轮廓图；
图7为加工后叶盘叶身型面实测轮廓图。
图中，1-叶身，2-流道，3-前缘，4-后缘。
实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受附图所限。
如图1-7所示，一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法，包括结合磨粒水射流粗加工、电解加工及自适应抛光加工，形成一体化加工方法；该方法的步骤如下：
步骤一，对整体叶盘零件理论模型特征进行分析，采用多轨迹逼近趋于叶片轮廓线的方式，构建整体叶盘水射流加工工艺模型；
步骤二，根据磨粒水射流加工工艺模型，完成磨粒水射流程序编制，设置磨粒水射流工艺参数为：加工压力360Mpa，磨粒供给0.6kg/min，切割进给30mm/min；
步骤三，将轨迹程序导入磨粒水射流加工设备的控制系统，将零件安装在工装夹具上找正，根据进气端加工轨迹完成进气端磨粒水射流加工，之后手工翻转零件，根据排气端加工轨迹进行排气端磨粒水射流加工，完成全型面水射流加工，加工后单边余量控制在0.2mm -0.5mm；
步骤四，根据零件特征，确定双面进给电解精加工方式加工整体叶盘叶身，设置电解加工工艺参数具体为：加工电压10v-20v，电导率70ms/cm -120ms/cm，电解液压力10bar，电解液温度25℃，振动频率25Hz-45Hz，振动幅度0.25mm-0.45mm，振动给电角度75°，进给速度0.6mm/min；
步骤五，打开电源与电解液，叶背电极和叶盆电极相互靠拢，形成加工腔，电解液进入加工腔，开始叶身1、流道2的电解半精加工；
步骤六，电解半精加工完成后，叶身型面余量在0.04mm-0.1mm，前后缘法向余量约为0.06mm-0.1mm；
步骤七，应用三坐标测量机完成5-8个整体叶盘叶片的测量，利用余量分析工具进行余量分析，确定砂带抛光区域及顺序如下：首先粗抛光叶身型面余量最高区域，之后粗抛光叶身型面余量次高区域，粗抛光前缘3后缘4，最终精抛光整个叶身1，其中粗抛砂带轮进给方向为纵向叶片积叠轴方向，精抛进给运动为沿叶身1横向截面的螺旋运动。
设置机器人抛光参数如下：砂带在磨削叶片型面线速度为8m/s -12m/s,进排气边缘时线速度为12m/s-15m/s，砂带磨粒材质SiC,粗抛#240磨粒砂带，精抛#2000磨粒砂带、砂带张紧力控制7N。
经验证，叶型轮廓基本处于零件中差，如图5所示，使用粗糙度仪测量表面粗糙度，数值为Ra0.4，轮廓及表面粗糙度都完全满足技术要求。
Claims (5)
1.一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法，其特征在于：结合磨粒水射流粗加工、电解加工及自适应抛光加工，形成了一体化加工方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，对整体叶盘零件理论模型特征进行分析，完成整体叶盘水射流加工工艺模型构建；
考虑磨粒水射流加工的射流不可弯曲性，同时保证三维复杂曲面几何形状、加工精度及加工一致性的要求，对零件的进行特征分析、简化和重构，并基于形成最大无干涉包容的变切线切割路径原则，形成磨粒水射流加工的工艺模型；
步骤二，根据磨粒水射流加工工艺模型，设置磨粒水射流加工的工艺参数，完成磨粒水射流程序编制；
所述磨粒水射流工艺参数具体为：加工压力350~400Mpa，磨粒供给不小于0.5kg/min，切割进给不大于30mm/min；
步骤三，将轨迹程序导入磨粒水射流加工设备的控制系统，按照规划的工艺路线，进行叶身去余量粗加工，加工后单边余量控制在0.2-0.5mm；
将零件安装在工装夹具上，找正，在磨粒水射流加工设备，基于工艺模型完成进气端磨粒水射流加工，之后翻转零件，进行排气端磨粒水射流加工；
步骤四，根据零件特征，确定进给电解精加工方式，加工整体叶盘叶身，制备专用阴极电极，设置电解加工的工艺参数；
步骤五，打开电源与电解液，开始叶身、流道电解半精加工；
电解加工时叶背电极和叶盆电极相互靠拢，形成加工腔，电解液进入加工腔，实现叶片的精密电解加工；
步骤六，电解半精加工完成后，叶身型面余量在0.04mm-0.1mm，前后缘法向余量为0.06mm-0.1mm；
步骤七，根据电解加工后叶身型面及前后缘的三坐标测量结果，进行余量分析，并规划抛光路径及抛光参数，最终保证整体叶盘叶身、前后缘、流道等各区域尺寸精度及表面质量符合技术要求。
2.根据权利要求1所述的一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法，其特征在于：步骤七中，所述抛光路径规划分为两种方式：第一种方式是根据余量分析结果规划抛光区域及抛光路径；第二种方式是基于叶身创建若干截面，抛光路径为绕着截面线的螺旋运动，抛光路径上各点抛光参数的动态变化控制材料去除量。
3.根据权利要求2所述的一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法，其特征在于：抛光路线规划的第一种方式具体为首先粗抛光叶身型面余量最高区域，之后粗抛光叶身型面余量次高区域，粗抛光前后缘，最终精抛光整个叶身，保证叶身型面与前后缘圆滑过渡。其中粗抛砂带轮进给方向为纵向叶片积叠轴方向，精抛进给运动为沿叶身横向截面的螺旋运动。
4.根据权利要求1所述的一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法，其特征在于：步骤七中，所述砂带抛光参数设置如下：磨削叶片型面线速度为8m/s -12m/s,进排气边缘时线速度为12m/s -15m/s；砂带磨粒材质选择SiC、三氧化二铝,粗抛选择#180、#240、#320等磨粒砂带，精抛选择#1500、#2000的磨粒砂带，砂带张紧力控制在5N-10N。
5.根据权利要求1所述的一种整体叶盘加工的一体化成型加工方法，其特征在于：步骤四中，设置电解加工工艺参数具体为：加工电压5v-25v，电导率60 ms/cm-140ms/cm，电解液压力5bar -16bar，电解液温度20℃-35℃，振动频率25Hz-45Hz，振动幅度0.25mm-0.45mm，振动给电角度60°-120°，进给速度0.1mm/min -1.0mm/min。
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