葉盤通道加工工藝論文范文

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1通道可加工性分析

通道空間的復雜性嚴重限制了數控刀具使用性，為了避免干涉通常選擇保守的刀具尺寸或工藝方法，嚴重影響葉盤加工效率和質量。為了提高通道開槽粗加工效率，對通道空間進行可加工性分析，為后續深入的研究打下基礎，主要是沿軸向和徑向兩方面對其進行分析。①沿通道軸向分析沿軸向分析時通道的可加工性主要受葉片的彎曲度限制。首先計算葉片的彎曲度，如圖3所示，在對葉片型面參數化后，在葉尖子午線和葉根曲線之間做一組同向等u參數線，獲得每條等參數線的最大曲率值點Pu，在兩曲線對應點處連接P0iPu和PuPni，得到了一系列沿葉片v向的兩個矢量，這兩個矢量的夾角ψi就是葉片曲面的彎曲度，對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，彎曲度越大說明通道開敞性越差。然后，進行沿軸向的刀具可加工性分析，將葉盤通道簡化到垂直于葉盤軸的平面上，如圖4所示。葉片型面用兩側粗曲線簡化表示，刀具用通道中細直線簡化表示，可以得到刀具在通道中進行加工所被約束的范圍。當刀具沿徑向加工時，如圖3所示四處關鍵刀位均避免了刀具干涉，還可以計算出通道是否存在刀具不可達區域，如果存在，還需調整后續銑削工藝。②沿通道徑向分析在沿通道徑向銑削時其可加工性主要受葉片的扭轉度限制。同理首先計算葉片的扭轉度，如圖5所示，對葉片型面進行參數化后，在排氣邊與進氣邊之間做一組同向等v參數線，并獲取每條等參數線的最大曲率值點Pv，然后在兩曲線對應點處連接P0jPv和PvPnj，得到一系列沿葉片v向的兩個矢量，這兩個矢量間的夾角φj就是葉片曲面的扭轉度，比較這一系列夾角的大小得出最大的夾角φmax，即葉片的扭轉度，扭轉度越大說明通道開敞性越差。計算完葉片扭轉度后，進行沿通道徑向的刀具可加工性分析，將通道簡化為以葉盤軸為旋轉軸的回轉面上，如圖6所示。與軸向簡化方法相同，對葉盤通道進行簡化，可以得到刀具在通道中進行銑削時所被約束的范圍。當刀具沿軸向加工時，如圖6所示，在刀位軌跡中的兩處關鍵刀位避免了刀具干涉，計算出通道是否存在刀具不可達區域，如圖6中陰影部分所示，刀具從進氣邊單向加工不可達。如果存在不可達區域，需要再調整加工工藝。

2通道加工區域規劃

開式整體葉盤通道加工是屬于粗加工[7]，應該為后續加工需要留有余量，因此，根據通道的幾何特征分析，對復雜通道空間進行合理的計算和規劃來確定復合銑加工區域。①曲面偏置面的求解抽取葉片相鄰葉背面和葉盆面兩個曲面，并分別裁去進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，重新構建葉背面和葉盆面。同時可得輪轂回轉曲面S3。將曲面S1按u和v等參數線進行離散，得到一組離散數據點P1(u,v)。求出P1(u,v)各離散點處對應曲面的法矢n1(u,v)，即。②偏置面延伸求解對葉片曲面進行偏置求解后，可能不完全充分相交，因此需要對偏置面進行延伸直至完全相交，但曲面延伸后斜率要連續，這樣有利于后續加工刀位軌跡規劃，使加工過渡均勻，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通道內的兩個葉片曲面和輪轂曲面偏置、延伸相交后，把葉尖子午線回轉后得到回轉面S4，將這四個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、通道進刀平面和通道退刀平面。這五個面共同圍成了一個封閉區域就是規劃的通道加工區域，也是整個葉盤銑削毛坯去除大量材料的通道區域，其中設計從Z軸負向進刀，可以保證在加工進程中材料更容易的被排除，如圖8所示。

3復合銑加工方法分析確定

通過以上分析可以知道，對于葉盤通道復雜的幾何特征，銑削加工具有較大的難度，僅依靠單一的傳統加工方法是無法滿足的。為了向高效率、高質量、集成化和柔性化方向發展，因此進行復合銑削加工方法的研究[8]。本文針對課題中提出的通道高效銑削的加工要求，進行研究分析總結，比較其他開槽方法，最終確定盤銑開槽，插銑擴槽，分層側銑相結合的通道開槽的復合銑削加工方法，實現少裝夾或一次裝夾的方法集中加工，使加工工藝得到優化。

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

3.2插銑擴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，當背吃刀量不大時，受插銑深度的影響較小，因此其十分適用于通道的擴槽加工。經過盤銑開槽加工后，可以使用插銑加工盤銑不可達區域，再次去除大量的剩余材料，還可以對通道曲面近似成型加工。研究發現，與其他通道擴槽或近似成型的加工方法相比，插銑加工可以優化以下問題：①側銑或端銑分層加工效率較低，插銑材料去除量，優化了加工效率，而且所需機床功率也較小，降低了生產成本；②在通道擴槽加工過程中，傳統加工方法刀具懸伸量較大，剛性不足，插銑刀具對抗彎剛性的要求低，刀具長徑比大，適宜通道擴槽加工，還可使用較大的切削參數；③傳統加工方法加工徑向力較大，工件很容易產生變形，刀具易發生顫振，而插銑加工主要受軸向力作用，加工穩定性好，工件變形小；④由于整體葉盤大多采用難加工材料制備，傳統加工方法開槽加工過程中排屑困難，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分層側銑側銑加工主要是使用圓柱銑刀的側刃進行加工，由于是線接觸加工，側銑只能加工出直紋面[11]。在通道加工中，通過盤銑和插銑后大部分余量已經被去除，還需要去除的材料量較少，由于切削量少徑向力小，使用側銑加工插銑后的余棱，可以很好地發揮側銑的優勢，避免曲面干涉，均勻加工余量，加工出成型通道曲面。應用側銑的加工特點，相比廣泛采用的端銑加工，側銑可改善如下問題：①由于端銑加工刀軸變化范圍較大，在狹窄通道內極易與葉片發生干涉，而且刀具懸伸有限，側銑使用側刃加工，刀軸變化范圍小可以很好的改善干涉問題，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，而側銑則是使用整個刀具速度最快的側刃進行加工，減小刀具磨損，延長刀具壽命；③端銑行距較小，加工效率低，側銑可實現寬行加工，提高加工效率，加工出的直紋面余量均勻，改善已加工表面質量[12]。

4復合銑刀具選用及工藝流程分析

4.1復合銑刀具的選用復合銑削開式整體葉盤通道加工工藝分析，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，刀具的結構參數、材料以及耐用度都直接影響著整個葉盤的加工質量和效率，因此，結合上述通道幾何特征分析和復合銑加工工藝的特點，有針對性的對刀具進行選擇。盤銑刀又叫做三面刃銑刀，除圓周有主切削刃外，兩側面也副切削刃，從而改善了切削條件，提高了切削效率。主要依據通道狹窄空間計算來對盤銑刀的幾何參數進行選取，原則為：刀盤直徑D>2hmax，刀盤厚度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。針對整體葉盤材料刀片選擇硬質合金涂層刀片，由于盤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[13]。刀具齒數選擇要適中，當有較多的刀齒時，與工件嚙合刀片不同易引起振動，但為保證效率和壽命還要保證足夠多的刀片參與切削，選擇錯齒兼顧了穩定性和效率。插銑通常選用專用的插銑刀，插銑刀沿進給方向可以全直徑下刀，此類刀具主要是底部切削刃參與切削。刀具采用組合式刀桿，可轉位刀片，刀具直徑較大，刀齒較多，節約刀具成本。插銑也可以采用平底立銑刀，但球頭立銑刀則不能用來插銑加工。在狹窄通道側銑加工過程中，由于側銑刀具懸伸大，刀具剛性不足，為了增加刀具剛性，采用了開式整體葉盤通道加工防干涉側銑專用刀具。選擇四刃，兼顧了金屬去除率，保證了較高的加工效率，同時切削過程也較穩定；大螺旋角排屑槽，有利于切屑的快速穩定排出，減少刀具磨損；錐度的設計提高了刀具的強度和耐用度；在容易發生干涉的部分設計階梯結構，加強刀了整體刀具的剛度，進一步優化了刀具耐用度和穩定性。

4.2復合銑工藝流程規劃開式整體葉盤通道加工是零件的整個加工過程中第一道工序，對整體加工效率和最終質量有著直接的影響，因此需要滿足如下三點要求：最大程度地高效去除葉片間的毛坯材料；在復雜的通道空間中避免發生刀具干涉問題；為后續加工留有均勻的余量。結合上述分析和要求，針對性的分析不同切削過程的加工要求，選擇對應的加工方法，合理地進行通道復合銑加工工藝流程規劃，詳細工藝流程如圖11所示。首先，盤銑開槽加工盤形毛坯，開槽加工應選取通道中間位置，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，為了保持盤銑加工的穩定性，盤銑刀軸始終保持不變，最后盤銑開出矩形直槽。其次，插銑擴槽加工，在盤銑開槽后從中間向兩邊進行插銑擴槽近似成型加工，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定性。最后，分層側銑均勻余量加工，通過以上加工后，插銑留下的刀痕明顯且余量不均勻，需要側銑光順表面和補充加工，由于受刀具懸伸量的限制，需要進行分層規劃來完成通道的復合銑削。

5結語

本文進行了開式整體葉盤通道復合銑加工工藝研究分析，并對現存的問題進行了有針對性的優化、改進和規劃。主要完成了以下研究工作：①對葉盤通道進行了分析，從寬度和深度兩個方面計算了通道空間，從軸向和徑向分分析了通道的可加工性，為確定了通道復合銑的加工區域打下基礎。②為了充分的去除材料并未后續加工留有余量，通過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域。③通過以上的分析研究，確定了復合銑削的加工方法，分析總結得出各個銑削方式的優勢并優選了相應銑削方式的刀具，完成整個通道復合銑的工藝流程規劃。最終明確了優化目標，得到了復合銑加工方法詳細流程，為后續通道復合銑加工工藝優化的打下了堅實的基礎。

作者：程耀楠左殿閣陳天啟霍亭宇萬泉單位：哈爾濱理工大學“高效切削及刀具”國家地方聯合工程重點實驗室