CN117226433A - 一种整体叶盘水射流粗开+铣削+抛光+强化加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空发动机技术领域，一种整体叶盘水射流粗开+铣削+抛光+强化加工方法，包括以下步骤：步骤1，在整体叶盘圆饼型毛坯上，采用直线轨迹规划水射流粗开模型；步骤2，全型面水切割加工；步骤3，对水射流粗开叶盘进行精铣加工；步骤4，对叶盘进行抛光；步骤5，利用水射流空化效应对整体叶盘表面进行强化加工，利用水作为工作介质，将携带有能量的水射流以连续不断的方式高速地喷射到整体叶盘所需强化的表面上，从而达到强化表面的作用。减少了工装使用数量和工序周转，降低了工序成本，提高了加工效率和加工质量。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种整体叶盘水射流粗开+铣削+抛光+强化加工方法。
背景技术
整体叶盘作为先进航空发动机重要转动部件，其加工质量直接影响发动机服役寿命。目前通常采用数控铣削+抛光+喷丸+振动光饰的加工方法。整体叶盘毛料通常为“圆饼状”毛坯，在叶盘粗开过程中由于毛坯余量大、材料难加工导致数控铣削效率低、刀具成本高，严重影响发动机交付进度；在抛光过程中未充分考虑数控铣削后表面余量分配情况，导致抛光后特别是叶型进排气边缘位置易产生“过抛”或“欠抛”现象，叶型尺寸公差和形状无法得到有效保证，无法满足先进发动机制造精度需求；表面强化过程为喷丸和振动光饰，两道工序分开进行需进行工序间周转，因工艺方法不同，工装不同，控制参数多。
针对上述问题本专利提出了一种整体叶盘水射流粗开+铣削+抛光+强化新型整体叶盘成型工艺方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种整体叶盘水射流加工方法，在整体叶盘毛坯粗开过程中利用水射流工艺，实现整体叶盘高效、低成本加工。同时通过规划水射流加工路径均化整体叶盘铣削前余量分布，降低铣削过程阻力影响；在抛光过程中采用基于误差补偿的方法，先对铣削后叶片进行测量，明确余量分布情况，然后针对铣削后“让刀”余量大的地方重新构造模型合理调节抛光去除量，有效地提高了抛光质量；在表面强化过程中采用水射流的方法代替原有的喷丸和振动光饰，减少了工装使用数量和工序周转。通过上述工艺方法精准匹配，降低整体叶盘加工成本，提高加工质量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种整体叶盘水射流粗开+铣削+抛光+强化加工方法，包括以下步骤：
步骤1，在整体叶盘圆饼型毛坯上，采用直线轨迹规划水射流粗开模型；
步骤2，水射流粗开时先将叶盘一端朝上，按照直线轨迹完成进气端水切割加工；而后翻面将另一端朝上，按着直线轨迹对叶背型面排气端以及叶盆型面排气端补加工，去除水射流残留区域，完成全型面水切割加工；
步骤3，对水射流粗开叶盘进行精铣加工；
在铣削过程中采用粗铣刀去除水射流后表面残留余量，并为精铣留余量；然后采用精铣刀去除全部余量，并将叶身中间型面轮廓控制在公差中上区间内；
步骤4，对叶盘进行抛光；
步骤4.1，首先对铣削后叶片进行测量，明确余量分布情况，然后针对铣削后进排气边缘让刀部位进行减薄处理后，再对叶型光顺后重新构造模型；
步骤4.2，抛光过程采用分区抛光的方法，将抛光区域划分为流道表面、叶根盆向转接区域、叶根背向转接区域、叶盆中间型面、叶背中间型面、进气边叶背区域、进气边叶背区域、排气边叶盆区域及排气边叶背区域；
步骤4.3，抛光时将叶盘一端朝上，并转动叶盘使得在加工过程中抛光工具不与叶盘产生干涉；采用粗加工砂带按着流道表面→叶根背向转接区域→叶根盆向转接区域→进气边叶背区域→进气边叶盆区域→叶背中间型面→叶盆中间型面的顺序进行粗抛光处理；完成后将叶盘下一个叶片旋转至本次抛光过程所采用角度接续抛光，直至加工完所有叶片及流道表面粗抛光；
步骤4.4，采用精加工砂带重复步骤4.3进行精抛光，直至所有表面粗糙度小于Ra0.4；
步骤4.5，将叶盘翻面，采用精加工砂带按着流道表面→排气边叶背区域→排气边叶盆区域的顺序逐个对叶片进行抛光处理，直至表面粗糙度小于Ra0.4；
步骤4.6，之后选用适于叶根处曲率半径的柔性抛光轮对盆、背向转接区域及叶根流道表面进行精整抛光，直至所有表面粗糙度小于Ra0.4；
步骤5，利用水射流空化效应对整体叶盘表面进行强化加工，利用水作为工作介质，将携带有能量的水射流以连续不断的方式高速地喷射到整体叶盘所需强化的表面上，从而达到强化表面的作用。
步骤1所述粗开模型的建立：将同一通道内叶盆、叶背及叶根流道型面各向实体外偏置0.3mm，构造轨迹面经过通道上、下表面沿叶型进排气边缘及叶背高点处相交截取后得到叶盆型面、叶背型面及叶根流道面的分界面。综合考虑叶盘叶间距狭小空间的可达性、后续铣削加工材料去除均匀性及避免水射流过冲蚀等因素，采用4条直线轨迹，叶背相对临界面最小余量留0.3mm、叶盆向沿分界面逐渐逼近叶片进排气边缘形状，最终形成适用于整体叶盘水射流粗开及后续铣削加工的工序模型。
步骤2所述的全型面水切割加工具体为：按照直线轨迹1和直线轨迹2进行第一次水切割加工，然后按照直线轨迹3进行第二次水切割加工完成进气端水切割加工；之后翻面将另一端朝上，按照直线轨迹1和直线轨迹4进行叶背型面排气端加工和叶盆型面排气端补加工，去除水射流直线轨迹3的残留区域，完成全型面水切割加工。
步骤2所述的全型面水切割加工后单边余量控制在0.5-0.9mm，其中进、排气边6mm区域单边余量控制在0.5-0.6mm。
步骤3所述铣刀为带锥度球头铣刀。
步骤4中抛光过程中磨料目数逐步由粗变细，逐步使用80#、120#、240#、360#及480#磨粒中的两种及多种组合进行抛光，确保达到表面粗糙度要求。
步骤4，抛光进排气边缘区域时应沿叶片纵向抛光，抛后整体叶型轮廓控制在中差向上0.01-0.03mm区域内，之所以抛光后抛后整体叶型轮廓控制在中差向上0.01-0.03mm区域内，是因为水射流表面强化过程中会对零件产生轻微磨蚀现象，磨蚀量为0.02mm。
本发明的技术效果为：
本发明方法使得叶盘在铣削前中余量分布更为均化，显著地降低了叶盘加工变形和粗开成本；在抛光过程中采用基于误差补偿的方法有效提高了抛光质量；在表面强化过程中采用水射流的方法代替原有的喷丸和振动光饰，减少了工装使用数量和工序周转，降低了工序成本，提高了加工效率和加工质量。
附图说明
图1本发明整体叶盘水射流粗开模型构造示意图；
图2本发明整体叶盘水射流粗开加工轨迹示意图；
图3本发明水射流粗开叶盘模型示意图；
图4本发明水射流粗开叶盘模型示意图；
图5本发明整体叶盘新型成形工艺流程图；
图6本发明加工后叶盘叶片实测轮廓；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
一种整体叶盘水射流粗开+铣削+抛光+强化加工方法，包括以下步骤：
步骤1，首先在整体叶盘圆饼型毛坯上，采用直线轨迹规划水射流粗开模型；将同一通道内叶盆、叶背及叶根流道型面各向实体外偏置0.3mm，构造轨迹面经过通道上、下表面沿叶型进排气边缘及叶背高点处相交截取后得到叶盆型面、叶背型面及叶根流道面的分界面，如图1所示；然后采用4条直线轨迹，即直线轨迹1、直线轨迹2、直线轨迹3及直线轨迹4，叶背相对临界面最小余量留0.3mm、叶盆向沿分界面逐渐逼近叶片进排气边缘形状，最终形成适用于整体叶盘水射流粗开及后续铣削加工的工序模型；
步骤2，水射流粗开时先将叶盘一端朝上，如图2和3所示，按照直线轨迹1和直线轨迹2进行第一次水切割加工，完成一个通道加工，然后接续加工，直至完成所有通道加工；按照直线轨迹3进行第二次水切割加工完成进气端水切割加工；而后翻面将另一端朝上，如图4所示，按照直线轨迹1和直线轨迹4进行叶背型面排气端加工和叶盆型面排气端补加工，去除水射流直线轨迹3的残留区域，完成全型面水切割加工，加工后单边余量控制在0.5-0.9mm，其中进、排气边6mm区域单边余量控制在0.5-0.6mm；
步骤3，采用数控铣削方法对水射流粗开叶盘进行精铣加工；
在铣削过程中先采用Ф12带锥度球头铣刀去除水射流后表面残留余量，并为后续精铣预留0.15mm余量，然后再采用Ф8带锥度球头铣刀去除全部余量，并将叶身中间型面轮廓控制在公差中上区间内，进、排气边6mm区域余量控制在0.04mm以内；
步骤4，接续进行基于误差补偿的抛光方法对叶盘进行抛光；
步骤4.1，首先对铣削后叶片进行测量，明确余量分布情况，然后针对铣削后进排气边缘让刀部位进行减薄0.04mm处理后，再对叶型光顺后重新构造模型；
步骤4.2，抛光过程采用分区抛光的方法，将抛光区域划分为流道表面、叶根盆向转接区域、叶根背向转接区域、叶盆中间型面、叶背中间型面、进气边叶盆6mm区域、进气边叶背6mm区域、排气边叶盆6mm区域及排气边叶背6mm区域；
步骤4.3，抛光时首先将叶盘一端朝上，将叶盘旋转角度，避免与抛光工具之间产生干涉，抛光进排气边缘区域时应沿叶片纵向抛光，采用150#粒度砂带进行粗抛光抛光，抛光顺序为流道表面→叶根背向转接区域→叶根盆向转接区域→进气边叶背6mm区域→进气边叶盆6mm区域→叶背中间型面→叶盆中间型面；完成后将叶盘下一个叶片旋转至本次抛光过程所采用角度接续抛光，直至加工完所有叶片及流道表面抛光；
步骤4.4，更换360#砂带，重复步骤4.3中顺序进行精抛光，直至所有表面粗糙度小于Ra 0.4；
步骤4.5，然后将叶盘翻面，加工顺序为流道表面→排气边叶背6mm区域→排气边叶盆6mm区域；按上述顺序使用360#粒度砂带逐个叶片进行抛光，直至所有表面粗糙度小于Ra0.4；
步骤4.6，选用适于叶根处曲率半径的480#柔性抛光轮对盆、背向转接区域及叶根流道表面进行精整抛光，直至所有表面粗糙度小于Ra 0.4；
步骤5，最后进行水射流表面强化加工，利用水射流空化效应对整体叶盘表面进行强化加工。将抛光后的整体叶盘置于水射流喷嘴下方，调整水射流喷嘴与抛光后整体叶盘之间的距离以及喷射角度，保证水射流能喷射到整体叶盘所需位置，完成水射流强化加工。
如图5所示，通过本专利的整体叶盘水射流粗开+铣削+抛光+强化的加工方法加工后的整体叶盘，叶身中间型面、进气边区域、排气边区域轮廓精度实测值均控制在理论中值左右，如图6所示，完全满足设计要求。
Claims (7)
1.一种整体叶盘水射流粗开+铣削+抛光+强化加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在整体叶盘圆饼型毛坯上，采用直线轨迹规划水射流粗开模型；
步骤2，水射流粗开时先将叶盘一端朝上，按照直线轨迹完成进气端水切割加工；而后翻面将另一端朝上，按着直线轨迹对叶背型面排气端以及叶盆型面排气端补加工，去除水射流残留区域，完成全型面水切割加工；
步骤3，对水射流粗开叶盘进行精铣加工；
在铣削过程中采用粗铣刀去除水射流后表面残留余量，并为精铣留余量；然后采用精铣刀去除全部余量，并将叶身中间型面轮廓控制在公差中上区间内；
步骤4，对叶盘进行抛光；
步骤4.1，首先对铣削后叶片进行测量，明确余量分布情况，然后针对铣削后进排气边缘让刀部位进行减薄处理后，再对叶型光顺后重新构造模型；
步骤4.2，抛光过程采用分区抛光的方法，将抛光区域划分为流道表面、叶根盆向转接区域、叶根背向转接区域、叶盆中间型面、叶背中间型面、进气边叶背区域、进气边叶背区域、排气边叶盆区域及排气边叶背区域；
步骤4.3，抛光时将叶盘一端朝上，并转动叶盘使得在加工过程中抛光工具不与叶盘产生干涉；采用粗加工砂带按着流道表面→叶根背向转接区域→叶根盆向转接区域→进气边叶背区域→进气边叶盆区域→叶背中间型面→叶盆中间型面的顺序进行粗抛光处理；完成后将叶盘下一个叶片旋转至本次抛光过程所采用角度接续抛光，直至加工完所有叶片及流道表面粗抛光；
步骤4.4，采用精加工砂带重复步骤4.3进行精抛光，直至所有表面粗糙度小于Ra0.4；
步骤4.5，将叶盘翻面，采用精加工砂带按着流道表面→排气边叶背区域→排气边叶盆区域的顺序逐个对叶片进行抛光处理，直至表面粗糙度小于Ra0.4；
步骤4.6，之后选用适于叶根处曲率半径的柔性抛光轮对盆、背向转接区域及叶根流道表面进行精整抛光，直至所有表面粗糙度小于Ra0.4；
步骤5，利用水射流空化效应对整体叶盘表面进行强化加工，利用水作为工作介质，将携带有能量的水射流以连续不断的方式高速地喷射到整体叶盘所需强化的表面上，从而达到强化表面的作用。
2.根据权利要求1所述的一种整体叶盘水射流粗开+铣削+抛光+强化加工方法，其特征在于：步骤1所述粗开模型的建立：将同一通道内叶盆、叶背及叶根流道型面各向实体外偏置0.3mm，构造轨迹面经过通道上、下表面沿叶型进排气边缘及叶背高点处相交截取后得到叶盆型面、叶背型面及叶根流道面的分界面；综合考虑叶盘叶间距狭小空间的可达性、后续铣削加工材料去除均匀性及避免水射流过冲蚀等因素，采用4条直线轨迹，叶背相对临界面最小余量留0.3mm、叶盆向沿分界面逐渐逼近叶片进排气边缘形状，最终形成适用于整体叶盘水射流粗开及后续铣削加工的工序模型。
3.根据权利要求1所述的一种整体叶盘水射流粗开+铣削+抛光+强化加工方法，其特征在于：步骤2所述的全型面水切割加工具体为：按照直线轨迹1和直线轨迹2进行第一次水切割加工，然后按照直线轨迹3进行第二次水切割加工完成进气端水切割加工；之后翻面将另一端朝上，按照直线轨迹1和直线轨迹4进行叶背型面排气端加工和叶盆型面排气端补加工，去除水射流直线轨迹3的残留区域，完成全型面水切割加工。
4.根据权利要求1所述的一种整体叶盘水射流粗开+铣削+抛光+强化加工方法，其特征在于：步骤2所述的全型面水切割加工后单边余量控制在0.5-0.9mm，其中进、排气边6mm区域单边余量控制在0.5-0.6mm。
5.根据权利要求1所述的一种整体叶盘水射流粗开+铣削+抛光+强化加工方法，其特征在于：步骤3所述铣刀为带锥度球头铣刀。
6.根据权利要求1所述的一种整体叶盘水射流粗开+铣削+抛光+强化加工方法，其特征在于：步骤4中抛光过程中磨料目数逐步由粗变细，逐步使用80#、120#、240#、360#及480#磨粒中的两种及多种组合进行抛光，确保达到表面粗糙度要求。
7.根据权利要求1所述的一种整体叶盘水射流粗开+铣削+抛光+强化加工方法，其特征在于：步骤4，抛光进排气边缘区域时应沿叶片纵向抛光，抛后整体叶型轮廓控制在中差向上0.01-0.03mm区域内，之所以抛光后抛后整体叶型轮廓控制在中差向上0.01-0.03mm区域内，是因为水射流表面强化过程中会对零件产生轻微磨蚀现象，磨蚀量为0.02mm。
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