叶盘通道加工工艺论文范文

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1通道可加工性分析

通道空间的复杂性严重限制了数控刀具使用性，为了避免干涉通常选择保守的刀具尺寸或工艺方法，严重影响叶盘加工效率和质量。为了提高通道开槽粗加工效率，对通道空间进行可加工性分析，为后续深入的研究打下基础，主要是沿轴向和径向两方面对其进行分析。①沿通道轴向分析沿轴向分析时通道的可加工性主要受叶片的弯曲度限制。首先计算叶片的弯曲度，如图3所示，在对叶片型面参数化后，在叶尖子午线和叶根曲线之间做一组同向等u参数线，获得每条等参数线的最大曲率值点Pu，在两曲线对应点处连接P0iPu和PuPni，得到了一系列沿叶片v向的两个矢量，这两个矢量的夹角ψi就是叶片曲面的弯曲度，对比这一系列夹角的大小得出最大的夹角ψmax，即叶片的弯曲度，弯曲度越大说明通道开敞性越差。然后，进行沿轴向的刀具可加工性分析，将叶盘通道简化到垂直于叶盘轴的平面上，如图4所示。叶片型面用两侧粗曲线简化表示，刀具用通道中细直线简化表示，可以得到刀具在通道中进行加工所被约束的范围。当刀具沿径向加工时，如图3所示四处关键刀位均避免了刀具干涉，还可以计算出通道是否存在刀具不可达区域，如果存在，还需调整后续铣削工艺。②沿通道径向分析在沿通道径向铣削时其可加工性主要受叶片的扭转度限制。同理首先计算叶片的扭转度，如图5所示，对叶片型面进行参数化后，在排气边与进气边之间做一组同向等v参数线，并获取每条等参数线的最大曲率值点Pv，然后在两曲线对应点处连接P0jPv和PvPnj，得到一系列沿叶片v向的两个矢量，这两个矢量间的夹角φj就是叶片曲面的扭转度，比较这一系列夹角的大小得出最大的夹角φmax，即叶片的扭转度，扭转度越大说明通道开敞性越差。计算完叶片扭转度后，进行沿通道径向的刀具可加工性分析，将通道简化为以叶盘轴为旋转轴的回转面上，如图6所示。与轴向简化方法相同，对叶盘通道进行简化，可以得到刀具在通道中进行铣削时所被约束的范围。当刀具沿轴向加工时，如图6所示，在刀位轨迹中的两处关键刀位避免了刀具干涉，计算出通道是否存在刀具不可达区域，如图6中阴影部分所示，刀具从进气边单向加工不可达。如果存在不可达区域，需要再调整加工工艺。

2通道加工区域规划

开式整体叶盘通道加工是属于粗加工[7]，应该为后续加工需要留有余量，因此，根据通道的几何特征分析，对复杂通道空间进行合理的计算和规划来确定复合铣加工区域。①曲面偏置面的求解抽取叶片相邻叶背面和叶盆面两个曲面，并分别裁去进气边和排气边曲率较大的部分，提取位于同一通道两曲面S1和S2，重新构建叶背面和叶盆面。同时可得轮毂回转曲面S3。将曲面S1按u和v等参数线进行离散，得到一组离散数据点P1(u,v)。求出P1(u,v)各离散点处对应曲面的法矢n1(u,v)，即。②偏置面延伸求解对叶片曲面进行偏置求解后，可能不完全充分相交，因此需要对偏置面进行延伸直至完全相交，但曲面延伸后斜率要连续，这样有利于后续加工刀位轨迹规划，使加工过渡均匀，而且能够充分去除毛坯材料，叶片偏置面的延伸求解如图7所示。③通道加工域确定将同一个通道内的两个叶片曲面和轮毂曲面偏置、延伸相交后，把叶尖子午线回转后得到回转面S4，将这四个面与毛坯轴向的上下平面充分相交截取，得到叶盆临界曲面、叶背临界曲面、通道加工底面、通道进刀平面和通道退刀平面。这五个面共同围成了一个封闭区域就是规划的通道加工区域，也是整个叶盘铣削毛坯去除大量材料的通道区域，其中设计从Z轴负向进刀，可以保证在加工进程中材料更容易的被排除，如图8所示。

3复合铣加工方法分析确定

通过以上分析可以知道，对于叶盘通道复杂的几何特征，铣削加工具有较大的难度，仅依靠单一的传统加工方法是无法满足的。为了向高效率、高质量、集成化和柔性化方向发展，因此进行复合铣削加工方法的研究[8]。本文针对课题中提出的通道高效铣削的加工要求，进行研究分析总结，比较其他开槽方法，最终确定盘铣开槽，插铣扩槽，分层侧铣相结合的通道开槽的复合铣削加工方法，实现少装夹或一次装夹的方法集中加工，使加工工艺得到优化。

3.1盘铣开槽盘铣加工主要用于开槽加工，如图9所示，其中ae表示盘铣径向切深。主要特点是切削效率和表面质量较高，盘铣在任何情况下的开槽加工方法都是作为首选。在本文开式整体叶盘通道复合铣加工中，采用盘铣进行开槽加工，可以最大限度的去除复杂通道内材料，整体加工效率得到极大地提升。与其他通道开槽加工方法相比[9]，研究发现盘铣加工方法有以下优势：①与插铣开槽相比，盘铣可以直接开槽直加工，无需事先对毛坯进行预钻工艺孔；②对于较深通道，较大的吃刀量容易使插铣刀发生变形，甚至折断，而盘铣刀不受槽深限制，优化了刀具寿命[10]；③盘铣相比于插铣、分层端铣等开槽方式，加工效率明显提高，因而大大降低生产成本；④与其他加工方法相比，盘铣开槽加工的表面质量也得到了较大的提高，为后续加工提供了有力保障。

3.2插铣扩槽插铣加工主要用于深腔和槽的加工，如图10所示，其中s为插铣步距，ae为径向切深。由于插铣可以全直径加工，当背吃刀量不大时，受插铣深度的影响较小，因此其十分适用于通道的扩槽加工。经过盘铣开槽加工后，可以使用插铣加工盘铣不可达区域，再次去除大量的剩余材料，还可以对通道曲面近似成型加工。研究发现，与其他通道扩槽或近似成型的加工方法相比，插铣加工可以优化以下问题：①侧铣或端铣分层加工效率较低，插铣材料去除量，优化了加工效率，而且所需机床功率也较小，降低了生产成本；②在通道扩槽加工过程中，传统加工方法刀具悬伸量较大，刚性不足，插铣刀具对抗弯刚性的要求低，刀具长径比大，适宜通道扩槽加工，还可使用较大的切削参数；③传统加工方法加工径向力较大，工件很容易产生变形，刀具易发生颤振，而插铣加工主要受轴向力作用，加工稳定性好，工件变形小；④由于整体叶盘大多采用难加工材料制备，传统加工方法开槽加工过程中排屑困难，刀具易磨损，插铣加工由于排屑好，切削温度低，更适合于航空难加工材料。

3.3分层侧铣侧铣加工主要是使用圆柱铣刀的侧刃进行加工，由于是线接触加工，侧铣只能加工出直纹面[11]。在通道加工中，通过盘铣和插铣后大部分余量已经被去除，还需要去除的材料量较少，由于切削量少径向力小，使用侧铣加工插铣后的余棱，可以很好地发挥侧铣的优势，避免曲面干涉，均匀加工余量，加工出成型通道曲面。应用侧铣的加工特点，相比广泛采用的端铣加工，侧铣可改善如下问题：①由于端铣加工刀轴变化范围较大，在狭窄通道内极易与叶片发生干涉，而且刀具悬伸有限，侧铣使用侧刃加工，刀轴变化范围小可以很好的改善干涉问题，且适用于大悬伸小切削量加工。②端铣由于球头中心部分切削速度为零，刀具极易磨损，而侧铣则是使用整个刀具速度最快的侧刃进行加工，减小刀具磨损，延长刀具寿命；③端铣行距较小，加工效率低，侧铣可实现宽行加工，提高加工效率，加工出的直纹面余量均匀，改善已加工表面质量[12]。

4复合铣刀具选用及工艺流程分析

4.1复合铣刀具的选用复合铣削开式整体叶盘通道加工工艺分析，除了要选择合适的加工方法外，合理选择刀具也是十分重要的，刀具的结构参数、材料以及耐用度都直接影响着整个叶盘的加工质量和效率，因此，结合上述通道几何特征分析和复合铣加工工艺的特点，有针对性的对刀具进行选择。盘铣刀又叫做三面刃铣刀，除圆周有主切削刃外，两侧面也副切削刃，从而改善了切削条件，提高了切削效率。主要依据通道狭窄空间计算来对盘铣刀的几何参数进行选取，原则为：刀盘直径D>2hmax，刀盘厚度L<dmin-2δ，其中hmax为通道最大深度，dmin为通道最小宽度，δ为通道加工余量，这样可以最大限度的去除通道材料，而且能够避免刀具干涉。针对整体叶盘材料刀片选择硬质合金涂层刀片，由于盘铣刀具刚度和排屑较好，刀片采用较大的前角，较大的刀片厚度，减小切削力使加工更平稳[13]。刀具齿数选择要适中，当有较多的刀齿时，与工件啮合刀片不同易引起振动，但为保证效率和寿命还要保证足够多的刀片参与切削，选择错齿兼顾了稳定性和效率。插铣通常选用专用的插铣刀，插铣刀沿进给方向可以全直径下刀，此类刀具主要是底部切削刃参与切削。刀具采用组合式刀杆，可转位刀片，刀具直径较大，刀齿较多，节约刀具成本。插铣也可以采用平底立铣刀，但球头立铣刀则不能用来插铣加工。在狭窄通道侧铣加工过程中，由于侧铣刀具悬伸大，刀具刚性不足，为了增加刀具刚性，采用了开式整体叶盘通道加工防干涉侧铣专用刀具。选择四刃，兼顾了金属去除率，保证了较高的加工效率，同时切削过程也较稳定；大螺旋角排屑槽，有利于切屑的快速稳定排出，减少刀具磨损；锥度的设计提高了刀具的强度和耐用度；在容易发生干涉的部分设计阶梯结构，加强刀了整体刀具的刚度，进一步优化了刀具耐用度和稳定性。

4.2复合铣工艺流程规划开式整体叶盘通道加工是零件的整个加工过程中第一道工序，对整体加工效率和最终质量有着直接的影响，因此需要满足如下三点要求：最大程度地高效去除叶片间的毛坯材料；在复杂的通道空间中避免发生刀具干涉问题；为后续加工留有均匀的余量。结合上述分析和要求，针对性的分析不同切削过程的加工要求，选择对应的加工方法，合理地进行通道复合铣加工工艺流程规划，详细工艺流程如图11所示。首先，盘铣开槽加工盘形毛坯，开槽加工应选取通道中间位置，并留有轮毂的加工余量[14]，最大限度地去除通道材料，提升加工效率，为了保持盘铣加工的稳定性，盘铣刀轴始终保持不变，最后盘铣开出矩形直槽。其次，插铣扩槽加工，在盘铣开槽后从中间向两边进行插铣扩槽近似成型加工，并留有叶片精确成型的加工余量，采用四轴控制走刀，兼顾了材料去除量和稳定性。最后，分层侧铣均匀余量加工，通过以上加工后，插铣留下的刀痕明显且余量不均匀，需要侧铣光顺表面和补充加工，由于受刀具悬伸量的限制，需要进行分层规划来完成通道的复合铣削。

5结语

本文进行了开式整体叶盘通道复合铣加工工艺研究分析，并对现存的问题进行了有针对性的优化、改进和规划。主要完成了以下研究工作：①对叶盘通道进行了分析，从宽度和深度两个方面计算了通道空间，从轴向和径向分分析了通道的可加工性，为确定了通道复合铣的加工区域打下基础。②为了充分的去除材料并未后续加工留有余量，通过曲面的偏置面求解以及偏置面的延伸求解，确定了最大的粗加工区域。③通过以上的分析研究，确定了复合铣削的加工方法，分析总结得出各个铣削方式的优势并优选了相应铣削方式的刀具，完成整个通道复合铣的工艺流程规划。最终明确了优化目标，得到了复合铣加工方法详细流程，为后续通道复合铣加工工艺优化的打下了坚实的基础。

作者：程耀楠左殿阁陈天启霍亭宇万泉单位：哈尔滨理工大学“高效切削及刀具”国家地方联合工程重点实验室