葉盤(pán)通道加工工藝論文范文

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1通道可加工性分析

通道空間的復(fù)雜性嚴(yán)重限制了數(shù)控刀具使用性，為了避免干涉通常選擇保守的刀具尺寸或工藝方法，嚴(yán)重影響葉盤(pán)加工效率和質(zhì)量。為了提高通道開(kāi)槽粗加工效率，對(duì)通道空間進(jìn)行可加工性分析，為后續(xù)深入的研究打下基礎(chǔ)，主要是沿軸向和徑向兩方面對(duì)其進(jìn)行分析。①沿通道軸向分析沿軸向分析時(shí)通道的可加工性主要受葉片的彎曲度限制。首先計(jì)算葉片的彎曲度，如圖3所示，在對(duì)葉片型面參數(shù)化后，在葉尖子午線和葉根曲線之間做一組同向等u參數(shù)線，獲得每條等參數(shù)線的最大曲率值點(diǎn)Pu，在兩曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)處連接P0iPu和PuPni，得到了一系列沿葉片v向的兩個(gè)矢量，這兩個(gè)矢量的夾角ψi就是葉片曲面的彎曲度，對(duì)比這一系列夾角的大小得出最大的夾角ψmax，即葉片的彎曲度，彎曲度越大說(shuō)明通道開(kāi)敞性越差。然后，進(jìn)行沿軸向的刀具可加工性分析，將葉盤(pán)通道簡(jiǎn)化到垂直于葉盤(pán)軸的平面上，如圖4所示。葉片型面用兩側(cè)粗曲線簡(jiǎn)化表示，刀具用通道中細(xì)直線簡(jiǎn)化表示，可以得到刀具在通道中進(jìn)行加工所被約束的范圍。當(dāng)?shù)毒哐貜较蚣庸r(shí)，如圖3所示四處關(guān)鍵刀位均避免了刀具干涉，還可以計(jì)算出通道是否存在刀具不可達(dá)區(qū)域，如果存在，還需調(diào)整后續(xù)銑削工藝。②沿通道徑向分析在沿通道徑向銑削時(shí)其可加工性主要受葉片的扭轉(zhuǎn)度限制。同理首先計(jì)算葉片的扭轉(zhuǎn)度，如圖5所示，對(duì)葉片型面進(jìn)行參數(shù)化后，在排氣邊與進(jìn)氣邊之間做一組同向等v參數(shù)線，并獲取每條等參數(shù)線的最大曲率值點(diǎn)Pv，然后在兩曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)處連接P0jPv和PvPnj，得到一系列沿葉片v向的兩個(gè)矢量，這兩個(gè)矢量間的夾角φj就是葉片曲面的扭轉(zhuǎn)度，比較這一系列夾角的大小得出最大的夾角φmax，即葉片的扭轉(zhuǎn)度，扭轉(zhuǎn)度越大說(shuō)明通道開(kāi)敞性越差。計(jì)算完葉片扭轉(zhuǎn)度后，進(jìn)行沿通道徑向的刀具可加工性分析，將通道簡(jiǎn)化為以葉盤(pán)軸為旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)面上，如圖6所示。與軸向簡(jiǎn)化方法相同，對(duì)葉盤(pán)通道進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以得到刀具在通道中進(jìn)行銑削時(shí)所被約束的范圍。當(dāng)?shù)毒哐剌S向加工時(shí)，如圖6所示，在刀位軌跡中的兩處關(guān)鍵刀位避免了刀具干涉，計(jì)算出通道是否存在刀具不可達(dá)區(qū)域，如圖6中陰影部分所示，刀具從進(jìn)氣邊單向加工不可達(dá)。如果存在不可達(dá)區(qū)域，需要再調(diào)整加工工藝。

2通道加工區(qū)域規(guī)劃

開(kāi)式整體葉盤(pán)通道加工是屬于粗加工[7]，應(yīng)該為后續(xù)加工需要留有余量，因此，根據(jù)通道的幾何特征分析，對(duì)復(fù)雜通道空間進(jìn)行合理的計(jì)算和規(guī)劃來(lái)確定復(fù)合銑加工區(qū)域。①曲面偏置面的求解抽取葉片相鄰葉背面和葉盆面兩個(gè)曲面，并分別裁去進(jìn)氣邊和排氣邊曲率較大的部分，提取位于同一通道兩曲面S1和S2，重新構(gòu)建葉背面和葉盆面。同時(shí)可得輪轂回轉(zhuǎn)曲面S3。將曲面S1按u和v等參數(shù)線進(jìn)行離散，得到一組離散數(shù)據(jù)點(diǎn)P1(u,v)。求出P1(u,v)各離散點(diǎn)處對(duì)應(yīng)曲面的法矢n1(u,v)，即。②偏置面延伸求解對(duì)葉片曲面進(jìn)行偏置求解后，可能不完全充分相交，因此需要對(duì)偏置面進(jìn)行延伸直至完全相交，但曲面延伸后斜率要連續(xù)，這樣有利于后續(xù)加工刀位軌跡規(guī)劃，使加工過(guò)渡均勻，而且能夠充分去除毛坯材料，葉片偏置面的延伸求解如圖7所示。③通道加工域確定將同一個(gè)通道內(nèi)的兩個(gè)葉片曲面和輪轂曲面偏置、延伸相交后，把葉尖子午線回轉(zhuǎn)后得到回轉(zhuǎn)面S4，將這四個(gè)面與毛坯軸向的上下平面充分相交截取，得到葉盆臨界曲面、葉背臨界曲面、通道加工底面、通道進(jìn)刀平面和通道退刀平面。這五個(gè)面共同圍成了一個(gè)封閉區(qū)域就是規(guī)劃的通道加工區(qū)域，也是整個(gè)葉盤(pán)銑削毛坯去除大量材料的通道區(qū)域，其中設(shè)計(jì)從Z軸負(fù)向進(jìn)刀，可以保證在加工進(jìn)程中材料更容易的被排除，如圖8所示。

3復(fù)合銑加工方法分析確定

通過(guò)以上分析可以知道，對(duì)于葉盤(pán)通道復(fù)雜的幾何特征，銑削加工具有較大的難度，僅依靠單一的傳統(tǒng)加工方法是無(wú)法滿足的。為了向高效率、高質(zhì)量、集成化和柔性化方向發(fā)展，因此進(jìn)行復(fù)合銑削加工方法的研究[8]。本文針對(duì)課題中提出的通道高效銑削的加工要求，進(jìn)行研究分析總結(jié)，比較其他開(kāi)槽方法，最終確定盤(pán)銑開(kāi)槽，插銑擴(kuò)槽，分層側(cè)銑相結(jié)合的通道開(kāi)槽的復(fù)合銑削加工方法，實(shí)現(xiàn)少裝夾或一次裝夾的方法集中加工，使加工工藝得到優(yōu)化。

3.1盤(pán)銑開(kāi)槽盤(pán)銑加工主要用于開(kāi)槽加工，如圖9所示，其中ae表示盤(pán)銑徑向切深。主要特點(diǎn)是切削效率和表面質(zhì)量較高，盤(pán)銑在任何情況下的開(kāi)槽加工方法都是作為首選。在本文開(kāi)式整體葉盤(pán)通道復(fù)合銑加工中，采用盤(pán)銑進(jìn)行開(kāi)槽加工，可以最大限度的去除復(fù)雜通道內(nèi)材料，整體加工效率得到極大地提升。與其他通道開(kāi)槽加工方法相比[9]，研究發(fā)現(xiàn)盤(pán)銑加工方法有以下優(yōu)勢(shì)：①與插銑開(kāi)槽相比，盤(pán)銑可以直接開(kāi)槽直加工，無(wú)需事先對(duì)毛坯進(jìn)行預(yù)鉆工藝孔；②對(duì)于較深通道，較大的吃刀量容易使插銑刀發(fā)生變形，甚至折斷，而盤(pán)銑刀不受槽深限制，優(yōu)化了刀具壽命[10]；③盤(pán)銑相比于插銑、分層端銑等開(kāi)槽方式，加工效率明顯提高，因而大大降低生產(chǎn)成本；④與其他加工方法相比，盤(pán)銑開(kāi)槽加工的表面質(zhì)量也得到了較大的提高，為后續(xù)加工提供了有力保障。

3.2插銑擴(kuò)槽插銑加工主要用于深腔和槽的加工，如圖10所示，其中s為插銑步距，ae為徑向切深。由于插銑可以全直徑加工，當(dāng)背吃刀量不大時(shí)，受插銑深度的影響較小，因此其十分適用于通道的擴(kuò)槽加工。經(jīng)過(guò)盤(pán)銑開(kāi)槽加工后，可以使用插銑加工盤(pán)銑不可達(dá)區(qū)域，再次去除大量的剩余材料，還可以對(duì)通道曲面近似成型加工。研究發(fā)現(xiàn)，與其他通道擴(kuò)槽或近似成型的加工方法相比，插銑加工可以優(yōu)化以下問(wèn)題：①側(cè)銑或端銑分層加工效率較低，插銑材料去除量，優(yōu)化了加工效率，而且所需機(jī)床功率也較小，降低了生產(chǎn)成本；②在通道擴(kuò)槽加工過(guò)程中，傳統(tǒng)加工方法刀具懸伸量較大，剛性不足，插銑刀具對(duì)抗彎剛性的要求低，刀具長(zhǎng)徑比大，適宜通道擴(kuò)槽加工，還可使用較大的切削參數(shù)；③傳統(tǒng)加工方法加工徑向力較大，工件很容易產(chǎn)生變形，刀具易發(fā)生顫振，而插銑加工主要受軸向力作用，加工穩(wěn)定性好，工件變形小；④由于整體葉盤(pán)大多采用難加工材料制備，傳統(tǒng)加工方法開(kāi)槽加工過(guò)程中排屑困難，刀具易磨損，插銑加工由于排屑好，切削溫度低，更適合于航空難加工材料。

3.3分層側(cè)銑側(cè)銑加工主要是使用圓柱銑刀的側(cè)刃進(jìn)行加工，由于是線接觸加工，側(cè)銑只能加工出直紋面[11]。在通道加工中，通過(guò)盤(pán)銑和插銑后大部分余量已經(jīng)被去除，還需要去除的材料量較少，由于切削量少?gòu)较蛄π。褂脗?cè)銑加工插銑后的余棱，可以很好地發(fā)揮側(cè)銑的優(yōu)勢(shì)，避免曲面干涉，均勻加工余量，加工出成型通道曲面。應(yīng)用側(cè)銑的加工特點(diǎn)，相比廣泛采用的端銑加工，側(cè)銑可改善如下問(wèn)題：①由于端銑加工刀軸變化范圍較大，在狹窄通道內(nèi)極易與葉片發(fā)生干涉，而且刀具懸伸有限，側(cè)銑使用側(cè)刃加工，刀軸變化范圍小可以很好的改善干涉問(wèn)題，且適用于大懸伸小切削量加工。②端銑由于球頭中心部分切削速度為零，刀具極易磨損，而側(cè)銑則是使用整個(gè)刀具速度最快的側(cè)刃進(jìn)行加工，減小刀具磨損，延長(zhǎng)刀具壽命；③端銑行距較小，加工效率低，側(cè)銑可實(shí)現(xiàn)寬行加工，提高加工效率，加工出的直紋面余量均勻，改善已加工表面質(zhì)量[12]。

4復(fù)合銑刀具選用及工藝流程分析

4.1復(fù)合銑刀具的選用復(fù)合銑削開(kāi)式整體葉盤(pán)通道加工工藝分析，除了要選擇合適的加工方法外，合理選擇刀具也是十分重要的，刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料以及耐用度都直接影響著整個(gè)葉盤(pán)的加工質(zhì)量和效率，因此，結(jié)合上述通道幾何特征分析和復(fù)合銑加工工藝的特點(diǎn)，有針對(duì)性的對(duì)刀具進(jìn)行選擇。盤(pán)銑刀又叫做三面刃銑刀，除圓周有主切削刃外，兩側(cè)面也副切削刃，從而改善了切削條件，提高了切削效率。主要依據(jù)通道狹窄空間計(jì)算來(lái)對(duì)盤(pán)銑刀的幾何參數(shù)進(jìn)行選取，原則為：刀盤(pán)直徑D>2hmax，刀盤(pán)厚度L<dmin-2δ，其中hmax為通道最大深度，dmin為通道最小寬度，δ為通道加工余量，這樣可以最大限度的去除通道材料，而且能夠避免刀具干涉。針對(duì)整體葉盤(pán)材料刀片選擇硬質(zhì)合金涂層刀片，由于盤(pán)銑刀具剛度和排屑較好，刀片采用較大的前角，較大的刀片厚度，減小切削力使加工更平穩(wěn)[13]。刀具齒數(shù)選擇要適中，當(dāng)有較多的刀齒時(shí)，與工件嚙合刀片不同易引起振動(dòng)，但為保證效率和壽命還要保證足夠多的刀片參與切削，選擇錯(cuò)齒兼顧了穩(wěn)定性和效率。插銑通常選用專(zhuān)用的插銑刀，插銑刀沿進(jìn)給方向可以全直徑下刀，此類(lèi)刀具主要是底部切削刃參與切削。刀具采用組合式刀桿，可轉(zhuǎn)位刀片，刀具直徑較大，刀齒較多，節(jié)約刀具成本。插銑也可以采用平底立銑刀，但球頭立銑刀則不能用來(lái)插銑加工。在狹窄通道側(cè)銑加工過(guò)程中，由于側(cè)銑刀具懸伸大，刀具剛性不足，為了增加刀具剛性，采用了開(kāi)式整體葉盤(pán)通道加工防干涉?zhèn)茹妼?zhuān)用刀具。選擇四刃，兼顧了金屬去除率，保證了較高的加工效率，同時(shí)切削過(guò)程也較穩(wěn)定；大螺旋角排屑槽，有利于切屑的快速穩(wěn)定排出，減少刀具磨損；錐度的設(shè)計(jì)提高了刀具的強(qiáng)度和耐用度；在容易發(fā)生干涉的部分設(shè)計(jì)階梯結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)刀了整體刀具的剛度，進(jìn)一步優(yōu)化了刀具耐用度和穩(wěn)定性。

4.2復(fù)合銑工藝流程規(guī)劃開(kāi)式整體葉盤(pán)通道加工是零件的整個(gè)加工過(guò)程中第一道工序，對(duì)整體加工效率和最終質(zhì)量有著直接的影響，因此需要滿足如下三點(diǎn)要求：最大程度地高效去除葉片間的毛坯材料；在復(fù)雜的通道空間中避免發(fā)生刀具干涉問(wèn)題；為后續(xù)加工留有均勻的余量。結(jié)合上述分析和要求，針對(duì)性的分析不同切削過(guò)程的加工要求，選擇對(duì)應(yīng)的加工方法，合理地進(jìn)行通道復(fù)合銑加工工藝流程規(guī)劃，詳細(xì)工藝流程如圖11所示。首先，盤(pán)銑開(kāi)槽加工盤(pán)形毛坯，開(kāi)槽加工應(yīng)選取通道中間位置，并留有輪轂的加工余量[14]，最大限度地去除通道材料，提升加工效率，為了保持盤(pán)銑加工的穩(wěn)定性，盤(pán)銑刀軸始終保持不變，最后盤(pán)銑開(kāi)出矩形直槽。其次，插銑擴(kuò)槽加工，在盤(pán)銑開(kāi)槽后從中間向兩邊進(jìn)行插銑擴(kuò)槽近似成型加工，并留有葉片精確成型的加工余量，采用四軸控制走刀，兼顧了材料去除量和穩(wěn)定性。最后，分層側(cè)銑均勻余量加工，通過(guò)以上加工后，插銑留下的刀痕明顯且余量不均勻，需要側(cè)銑光順表面和補(bǔ)充加工，由于受刀具懸伸量的限制，需要進(jìn)行分層規(guī)劃來(lái)完成通道的復(fù)合銑削。

5結(jié)語(yǔ)

本文進(jìn)行了開(kāi)式整體葉盤(pán)通道復(fù)合銑加工工藝研究分析，并對(duì)現(xiàn)存的問(wèn)題進(jìn)行了有針對(duì)性的優(yōu)化、改進(jìn)和規(guī)劃。主要完成了以下研究工作：①對(duì)葉盤(pán)通道進(jìn)行了分析，從寬度和深度兩個(gè)方面計(jì)算了通道空間，從軸向和徑向分分析了通道的可加工性，為確定了通道復(fù)合銑的加工區(qū)域打下基礎(chǔ)。②為了充分的去除材料并未后續(xù)加工留有余量，通過(guò)曲面的偏置面求解以及偏置面的延伸求解，確定了最大的粗加工區(qū)域。③通過(guò)以上的分析研究，確定了復(fù)合銑削的加工方法，分析總結(jié)得出各個(gè)銑削方式的優(yōu)勢(shì)并優(yōu)選了相應(yīng)銑削方式的刀具，完成整個(gè)通道復(fù)合銑的工藝流程規(guī)劃。最終明確了優(yōu)化目標(biāo)，得到了復(fù)合銑加工方法詳細(xì)流程，為后續(xù)通道復(fù)合銑加工工藝優(yōu)化的打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

作者：程耀楠左殿閣陳天啟霍亭宇萬(wàn)泉單位：哈爾濱理工大學(xué)“高效切削及刀具”國(guó)家地方聯(lián)合工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室