整體葉盤葉片加工變形控制技術(shù)研究_劉自成

1、88航空制造技術(shù)2011 年第 9 期學(xué)術(shù)論文RESEARCH摘 要 針 對 五 坐 標(biāo) 加 工 中 心 (MIKRON_UCP1350 采用五軸聯(lián)動方式加工整體葉盤時葉片和刀 具受力變形較大的問題, 從加工整體葉盤葉片的工藝特 點(diǎn)著手, 結(jié)合傳統(tǒng)切削力理論公式計(jì)算和加工時葉片的 有限元分析, 對加工變形控制展開研究。在初步確定切 削參數(shù)值后, 經(jīng)過試件實(shí)際試加工, 修正切削參數(shù)值使 加工后葉片既滿足葉型面變形在公差允許范圍內(nèi), 同時 也獲得較好的銑削表面質(zhì)量, 加工效率也能得到提高。 這種通過確定和優(yōu)化切削參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對葉片加工變形 控制的方法經(jīng)實(shí)踐表明可滿足工程使用要求。關(guān)鍵詞: 五坐標(biāo)加工

2、中心整體葉盤變形控制 有限元分析ABSTRACT According to the deformation of blisk blades and cutting tools when the blisk is machined by the ve axis machining center of MIKRON _UCP1350, and with considering the characteristics of blisk blade ma-chining process, the calculation of cutting force and nite element analysi

3、s of blade machining, the control of the machining deformation is studied. After determination of the cutting parameters, it not only meets the deformation of blisk blades within the tolerance by modified milling parameters, but also improves the machining efficiency and obtains better milling surfa

4、ce quality. The test results indicate that the method through determination and opti-mized parameters to control the machining deformation of blisk blade process meets the engineering requirements.Keywords: Five axis machining center Blisk Deformation control Finite element analysis在現(xiàn)代高推重比航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)中,

5、整體葉盤是將 旋轉(zhuǎn)的工作葉片和轉(zhuǎn)子盤轂直接連接為一體的一種結(jié) 構(gòu)形式 1。由于該結(jié)構(gòu)省去了連接用的榫頭、 榫槽, 也 避免了榫頭氣流損失, 減少了零件重量和零件數(shù), 使得 發(fā)動機(jī)的推重比和可靠性得到了進(jìn)一步的提高。這也 是整體葉盤在航空發(fā)動機(jī)中逐漸大量使用的原因, 同時 也對整體葉盤的加工質(zhì)量提出了更高的要求, 而整體葉 盤葉片的加工質(zhì)量又是決定葉盤是否合格的關(guān)鍵因素之一。1整體葉盤葉片的加工工藝分析整體葉盤上葉片表面是封閉的自由曲面, 葉片之間 的盤緣流道窄, 且是繞中心旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)曲面, 葉片整體 有扭曲趨勢, 加工時極易產(chǎn)生干涉, 刀具路徑規(guī)劃和刀 軸控制都具有很高的難度 , 如圖 1所示

6、。整體葉盤葉 片外廓尺寸相對截面尺寸較大, 相對剛度低, 加工工藝 性差, 是一種典型的薄壁件, 在加工過程中由于切削力、 切削熱、 切削振動等因素的影響, 整體葉盤葉片易發(fā)生 變形, 造成零件尺寸超差、 葉片厚度不均勻等誤差。因 此對銑削加工過程中葉片變形的預(yù)估和控制有重要工 程運(yùn)用價(jià)值, 它將直接影響加工后的葉片是否在設(shè)計(jì)圖 紙要求的公差范圍內(nèi)。整體葉盤葉片加工變形控制技術(shù)研究Study on Control of Machining Deformation of Blisk Blade中國燃?xì)鉁u輪研究院 劉自成舒發(fā)龍張為民另外, 由于葉片間流道窄而深, 為了保證五軸聯(lián)動 加工的安全性 (

7、為避免干涉, 刀軸有傾斜擺角 , 夾持刀 具伸出長度通常為刀具本身直徑的 5倍以上, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 常規(guī)加工中刀具夾持長度不超過刀具直徑 3倍的原則。 所以刀具剛性差, 讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重 (即在葉片表面產(chǎn)生欠 切, 加工出的葉片厚度比理論值偏厚 , 易折斷。圖1開式整體葉盤 Fig.1Open blisk2011 年第 9 期航空制造技術(shù)89學(xué)術(shù)論文RESEARCH2切削力大小的理論計(jì)算由于切削機(jī)理的復(fù)雜性, 目前大部分航空企業(yè)實(shí)際 生產(chǎn)中廣泛采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算切削力。利用測力儀測 出切削力, 再將試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以適當(dāng)處理, 就可以得到切 削力的經(jīng)驗(yàn)公式。常用的銑削力計(jì)算指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式如下:,(1其中 F Z

8、 為銑削力, 通常情況下公式 (1 中的 C F 、x F 、 y F 、 u F 、 q F 、 w F 可以在機(jī)械加工類的工藝手冊中查到, 此公 式更詳細(xì)的使用說明也可以在各類機(jī)械加工的工藝手 冊中查到。3刀具端點(diǎn)位移與切削力的關(guān)系刀具在加工過程中由于受切削力的影響會產(chǎn)生變 形位移, 這樣會產(chǎn)生欠切現(xiàn)象, 即加工出來的葉片比理 論模型明顯偏厚。 由于整體葉盤葉片間流道窄、 葉片長, 再加上加工過程中刀具為避免干涉會有擺角等多方面 因素影響, 導(dǎo)致實(shí)際加工中刀具伸出夾持柄的長度明顯 偏長。例如, 選用的直徑 4mm 的刀具在實(shí)際加工中 伸出刀具夾持柄的長度都超過了 30mm, 遠(yuǎn)超過常規(guī)加

9、工中刀具伸出長度不大于 3倍自身直徑的原則。所以 加工過程中由于刀具變形引起的欠切現(xiàn)象特別明顯, 計(jì) 算出刀具端點(diǎn)的變形與切削力的關(guān)系為控制刀具變形、 選擇合理的切削參數(shù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。刀具的計(jì)算模型簡圖見圖 2, 由于刀具圓柱體部分 長度遠(yuǎn)大于其半球體部分, 因此估算時可以忽略刀具的 球體部分, 而將其看成一個圓形截面的懸臂梁, 刀具夾 持部分設(shè)定為固定端邊界條件, 即位移為零。刀具切削 力 F 與端點(diǎn)位移 y 的關(guān)系為:, (2式中, l 為刀具長度; R 為截面半徑, 實(shí)際加工刀具直徑為 4mm;I 為抗彎截面系數(shù), I =R 4; 為切削力與刀具 橫截面夾角, 實(shí)際加工中為 5。刀具材料

10、的彈性模量取為 E =200GPa, 刀具端點(diǎn)位 移 (0.02mm、 0.05mm、 0.08mm、 0.10mm 與切削力的關(guān)系 計(jì)算結(jié)果見表 1。由此表可以明顯地看出, 在允許同等 的刀具端點(diǎn)位移變形時, 刀具伸出長度越長, 所需要的 受力載荷就越小。所以在實(shí)際加工中, 只要能夠保證機(jī) 床加工安全, 刀具的伸出長度會選擇盡可能短的。 另外, 將表 1與表 2相結(jié)合, 用來確定最初試加工時的切削參 數(shù)。lRF y 圖2刀具的計(jì)算模型簡圖 Fig.2Calculation model of cutting tool 表1刀具端點(diǎn)位移與切削力的關(guān)系表2各點(diǎn)受力載荷4葉片加工變形的有限元分析工件

11、在受力狀態(tài)下的彈性變形屬于有限元理論中 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度力學(xué)分析的內(nèi)容, 在知道力的大小和方向后, 采用有限元計(jì)算方法可以精確計(jì)算相應(yīng)的位移。對于 葉片數(shù)控切削過程, 切削力的大小、 方向和作用點(diǎn)是隨 時間改變的, 因此葉片彈性變形的大小和方向也是隨著 時間變化的函數(shù), 這樣很不利于研究葉片在加工中的彈 性變形。假設(shè)在葉片切削過程中切削力連續(xù)變化, 在連續(xù)刀90航空制造技術(shù)2011 年第 9 期學(xué)術(shù)論文RESEARCH位點(diǎn)之間切削力的變化很小, 則可認(rèn)為在單個刀位點(diǎn)上 切削力是固定不變的, 這樣, 切削力和彈性變形從關(guān)于 時間的函數(shù)轉(zhuǎn)化成關(guān)于刀位軌跡或刀位點(diǎn)的函數(shù), 根據(jù) 在各個刀位點(diǎn)的切削力大小,

12、可以通過有限元法中靜力 學(xué)方法計(jì)算出該刀位點(diǎn)上彈性變形的數(shù)值。以上假設(shè) 將葉片動態(tài)的切削過程轉(zhuǎn)化成離散的各個刀位點(diǎn)上的 靜力學(xué)中應(yīng)力、 應(yīng)變問題, 而沒有考慮因切削力的變化 引起的葉片振動 2。由于整體葉盤加工變形主要集中在葉片上, 同時, 在對某個葉片進(jìn)行粗、 精加工時, 只有一個葉片受銑削 力作用, 其他葉片在加工過程中主要受到加工振動的影 響, 另外整體葉盤葉片具有嚴(yán)格的軸對稱性, 所以可以 通過研究其中一個作用葉片來反映整體葉盤加工變形 情況。經(jīng)簡化后, 整體葉盤葉片加工變形模型如圖 3所 示。葉片網(wǎng)格劃分時, 考慮到葉片具體形狀, 選擇六面 體單元形狀進(jìn)行劃分。而單個葉片的質(zhì)量相對于

13、裝卡 在機(jī)床上的整個整體葉盤和工裝很小, 所以對葉片與整 體葉盤連接的根部附加固定端邊界條件, 即位移為零。 利用該有限元模型, 不僅可以計(jì)算出刀位點(diǎn)在切削力的 作用下的精確位移, 還可以得到葉片在刀位點(diǎn)上的彈性 變形與切削力的規(guī)律。由于單個葉片在加工過程中是單懸臂結(jié)構(gòu), 顯而易 見, 葉片頂部的變形應(yīng)該是葉片變形最大的部位, 如圖 4所示, 現(xiàn)在在葉尖的 8個部位設(shè)置采樣點(diǎn)。假設(shè)切削力是以集中法向力加載在采樣點(diǎn)上, 計(jì)算 在該點(diǎn)法向方向有 0.1mm 位移時的受力載荷, 彈性模量取為 E =200GPa。計(jì)算結(jié)果見表 2, 由此表可以明顯看 出在相同變形位移的假設(shè)下, 葉片的前緣和后緣所需要

14、 的力明顯小于其他部位。實(shí)際加工后的葉片檢測結(jié)果 也表明, 在葉片的同一截面上, 前緣和后緣附近的變形 明顯大于葉片中部的變形。5實(shí)際加工過程中切削參數(shù)確定方法在實(shí)際加工過程中, 切削參數(shù)的選擇完全根據(jù)理論 預(yù)估是很難做到的, 主要原因是實(shí)際的切削狀態(tài)和理論 計(jì)算的模型通常有差異, 加工過程中葉片和刀具都有變 形且相互影響, 而且葉片銑加工后的表面質(zhì)量也是制約 精加工時切削參數(shù)選擇的因素, 另外要兼顧加工效率的 提高。此零件葉片在精加工時切削參數(shù)的選擇過程為:假 設(shè)葉片加工時刀具端點(diǎn)位移和葉尖彈性變形最大處都 不超過 0.1mm, 根據(jù)表 1和表 2初步確定刀具裝卡時的 刀具伸出長度和切削力, 再根據(jù)選擇的具體銑刀和銑刀的切削力經(jīng)驗(yàn)公式反推出銑削深度 a p ,每齒進(jìn)給量 a f , 銑削寬度 a w 等參數(shù)。以理論計(jì)算的切削參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn) 行真實(shí)材料試切試驗(yàn), 再根據(jù)加工后的表面質(zhì)量和盡量 提高效率的要求確定最終切削參數(shù)。正式零件的合格 制造完成說明此方法完全能夠滿足對整體葉盤葉片加 工變形控制的實(shí)際工程需要。參 考 文 獻(xiàn)1劉雄偉, 鄭延芳, 鄭