專利名稱：一種基于非均勻余量的增強薄壁葉片工藝剛度的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于非均勻余量的增強薄壁葉片工藝剛度的方法，屬航空發(fā)動機葉片制造與精密切削加工領域。
背景技術：
葉片是航空發(fā)動機的核心零件，也是一種典型的薄壁類零件，其制造水平直接影響著航空發(fā)動機的氣動性能。隨著氣動設計技術、結構技術和材料技術的不斷發(fā)展，航空發(fā)動機葉片出現(xiàn)了彎、扭、薄、掠、輕的結構特點，同時也給其制造精度提出了更高的要求。在實際的銑削加工過程中，由于受到切削力、切削熱和金屬金相撕裂的共同作用，葉片會產(chǎn)生加工變形，導致加工后的葉片精度和輪廓度較差。目前，國內(nèi)薄壁葉片制造精加工工藝是數(shù)控半精加工與手工打磨精加工；主要是因為葉片屬于薄壁曲面零件，加工變形難以控制，為避免出現(xiàn)廢品，必須留有足夠的余量補償數(shù)控加工引起的變形，最后依靠人工操作進行拋光，用“邊打磨、邊檢驗”的方法將葉片留有的余量逐步去除掉。但由于手工打磨過程無冷卻液，靠樣板控制葉片截面形狀，故加工效率低、勞動強度大，表面精度低、波紋度大，易燒傷、質量不穩(wěn)定，無法滿足薄壁葉片對壁厚和葉型精度控制的要求。同時，在工程實踐中，為了消除加工變形對薄壁葉片數(shù)控加工精度的不利影響，常通過采用一些工藝措施來減小葉片的加工變形，從而保證加工精度達到設計要求。目前主要采取的手段有:優(yōu)化數(shù)控切削參數(shù)以減小切削力，例如，沿著刀具的切削路徑，局部調(diào)整主軸轉速和進給速度等切削參數(shù)，使得切削力的大小不超過極限值，可以避免彈性讓刀變形引起的超差現(xiàn)象；通過改進和優(yōu)化裝夾方案以增加零件的剛性，例如，采用葉片專用夾具或采用輔助支撐的手段；這些措施可以減小葉片的加工變形和加工誤差，但這就必然要增加很多額外的工序，而且這些工藝措施主要是以定性分析和實際加工經(jīng)驗為基礎的，缺乏定量分析和操作規(guī)范，不僅零件的精度和質量難以保證，而且嚴重影響了加工效率。加工變形是影響薄壁葉片數(shù)控加工效率、精度和表面質量的關鍵因素。針對現(xiàn)有的薄壁葉片加工工藝存在的不足，很有必要對現(xiàn)有的加工工藝方法進行優(yōu)化和改進。從而尋找一種新的葉片加工變形，實現(xiàn)對薄壁葉片加工變形的有效控制，大幅提高加工精度和效率，以滿足相關技術領域對改進和完善薄壁、超薄葉片精密銑削加工技術的迫切需求。

發(fā)明內(nèi)容
為了避免現(xiàn)有技術存在的不足，克服薄壁件數(shù)控銑削精加工剛度不足引起的變形問題，本發(fā)明提出一種基于非均勻余量的增強薄壁葉片工藝剛度的方法。本發(fā)明從薄壁葉片精加工前調(diào)節(jié) 毛坯工藝剛度的角度出發(fā)，按照該方法進行銑削加工能有效控制薄壁葉片機加工變形，減小加工誤差；由于葉片在銑削力的作用下產(chǎn)生的變形主要在葉片的法向方向；通過分析葉片各點在施加相同切削力下的變形量，研究找出葉片在銑削條件下的各點剛度，以及整個葉片的剛度變化趨勢，在此基礎上對葉片精加工余量分布方法進行優(yōu)化，減少薄壁葉片精加工過程中的切削變形。
本發(fā)明基于非均勻余量的增強薄壁葉片工藝剛度的方法，其特點是包括以下步驟:步驟1.采用有限元分析法對薄壁葉片進行變形分析，分別在薄壁葉片的葉背和葉盆上選取uXv節(jié)點，定義沿葉片軸向為U向，沿葉片截面線方向為V向，uX ν個節(jié)點在U，V方向等參數(shù)分布，在各節(jié)點上施加一定的切削力，獲得薄壁件在該切削力下各點的變形情況；步驟2.根據(jù)各節(jié)點變形量與切削力和切削深度之間基本呈線性關系，構造以薄壁件變形量為自變量的線性函數(shù)來計算切削余量；由于切削變形量較小，定義變形量放大系數(shù)α，使變形量δ用來對薄壁件進行余量λ構造，以提高工件剛度，定義如下:λ =K+α δ (I)其中K為常數(shù)；步驟3.根據(jù)薄壁葉片實際加工情況，在對應的最小變形量Smin的第Um截面線第vnf點確定最大精加余量，對應最大變形量δ _的第ug截面線的第Vh節(jié)點確定最小精加工余量入_;根據(jù)方程組兩組解(6_，λ_)、( δ max, Amin)確定系數(shù)K，α，并計算出uXv個節(jié)點對應的余量值；步驟4.將得到切削余量分別加載到各個載荷結點上，得到這些結點精加工非均勻余量值；步驟5.沿薄壁件軸向方向每一個截面線上一組余量分布參數(shù)點,作為控制點,構造三次樣條曲線LpI^LfLu,光順后即可作為薄壁件在這一截面高度精加工余量輪廓線；步驟6.將得到的曲線通過掃掠方法構成面，得到由非均勻余量方法構造的精加工前葉片曲面。有益效果 本發(fā)明一種基于非均勻余量的增強薄壁葉片工藝剛度的方法，從薄壁葉片精加工前調(diào)節(jié)毛坯工藝剛度的角度出發(fā)，按照該方法進行銑削加工能有效控制薄壁葉片機加工變形，減小加工誤差；由于葉片在銑削力的作用下產(chǎn)生的變形主要在葉片的法向方向，通過分析葉片各點在施加相同切削力下的變形量，研究、找出葉片在銑削條件下的各點剛度，以及整個葉片的剛度變化趨勢，在此基礎上對葉片精加工余量分布方法進行優(yōu)化，減少薄壁葉片精加工過程中的切削變形。本發(fā)明從加工切削力優(yōu)化和工件剛度優(yōu)化兩個方面提高了切削過程的穩(wěn)定性，解決了薄壁葉片數(shù)控銑削精加工剛度不足引起的變形問題。


下面結合附圖和實施方式對本發(fā)明一種基于非均勻余量的增強薄壁葉片工藝剛度的方法作進一步詳細說明。圖1為薄壁葉片結構示意圖。圖2為施加力節(jié)點在葉片上分布示意圖。圖3為非均勻余量設計薄壁件沿軸向葉片某截面示意圖。圖4為均勻余量設計薄壁件沿軸向葉片某截面示意圖。圖中:1.榫根2.櫞板3.葉背型面4.排氣邊5.葉盆型面6.進氣邊
具體實施例方式本實施例是一種基于非均勻余量的增強薄壁葉片工藝剛度的方法。參閱圖1、圖2、圖3、圖4，本發(fā)明基于非均勻余量的增強薄壁葉片工藝剛度的方法，是從薄壁葉片精加工前調(diào)節(jié)毛坯工藝剛度的角度出發(fā)，按照該方法對葉片精加工余量分布方法進行優(yōu)化，減少薄壁葉片精加工過程中的切削變形，減小加工誤差。在薄壁葉片銑削加工中，由于切削力主要由切削深度、切削寬度、每齒進給量諸因素決定，在其它條件不變的情況下，精加工余量小的地方，切削深度就小，由此產(chǎn)生的切削力也小。如果按照傳統(tǒng)的均勻余量的方法進行薄壁葉片精加工余量分布，則在切削相同余量產(chǎn)生相近切削力的情況下，葉片剛性薄弱部位的加工變形和振動較大，葉片的加工精度和表面質量較差，當振動加劇時甚至使該部位在加工中喪失精度，加工表面嚴重惡化；而在剛性較強部位，其加工變形和振動很小，葉片加工精度和表面質量能夠得到保障。在這種余量分布方法下，整個葉片切削加工過程中的不同部位加工狀況變化較大，葉片的精度和表面質量相差懸殊。因此，在葉片幾何條件、設計參數(shù)不受影響的前提下，采用精加工非均勻余量分布的方法，一方面通過適當減小剛度較差部位的精加工余量、增加剛度較好部位的精加工余量，來減少葉片加工中切削力引起的加工變形；另一方面這種余量分布方法在根部和中間部位余量較大，在尖部和邊緣部位余量較小，使得葉片加工過程中的支承部位厚度加強，起到了剛性增強的作用，從加工切削力優(yōu)化和工件剛性優(yōu)化兩個方面提高了切削過程的穩(wěn)定性。下面針對葉片材料為航空鈦合金TC4，葉片尺寸為:303mmX115mmXL8mm的某型航空發(fā)動機的薄壁葉片為例，具體步驟如下:第I步，將葉片模型導入到有限元分析軟件ABAQUS當中進行變形分析，以薄壁葉片的葉背為例，按照Uv方向等參數(shù)分布設置45個節(jié)點(U=5，v=9)，如圖2所示，分別在節(jié)點上施加一定的切削力，獲得薄壁件在該切削力下各節(jié)點的彈性變形情況，如表I所示(表I各個節(jié)點彈性變形量)。第2步，以計算變形量為依據(jù)，按照變形大的地方余量小、變形小的地方余量大的原則進行余量分布，即λ =K+α δ ;按照u=l, ν=1點變形量0.0911mm對應最小的精加余量
0.2mm, u=5, v=5點的變形量0.0OOOmm應最大的精加余量0.4mm的方法,求解方程組得到K=0.4，a =-2.2082489，從而得到余量與變形量的函數(shù)關系λ =0.4-2.2082489 δ。第3步，根據(jù)步驟2余量與變形量函數(shù)關系式可得到符合實際加工的葉背每一點的加工余量，如表2所示(表2各節(jié)點加工余量設計)。第4步,將得到的切削余量分別加載到u X ν=45個結點上,得到這些結點的精加工非均勻余量值；將每行的9個點作為一組參數(shù)點，構造三次樣條曲線。第5步，按照上述同樣方法構造薄壁葉片的葉盆曲面余量截面三次樣條；分別將得到葉背、葉盆余量截面曲線進行光順并掃掠成面，即得到由非均勻余量方法構造的精加工前的薄壁葉片余量曲面，如圖3所示。表I各個節(jié)點彈性變形量
權利要求
1.一種基于非均勻余量的增強薄壁葉片工藝剛度的方法，其特征在于包括以下步驟:步驟1.采用有限元分析法對薄壁葉片進行變形分析，分別在薄壁葉片的葉背和葉盆上選取UXv節(jié)點，定義沿葉片軸向為U向，沿葉片截面線方向為V向，uXv個節(jié)點在U，V方向等參數(shù)分布，在各節(jié)點上施加一定的切削力，獲得薄壁件在該切削力下各點的變形情況； 步驟2.根據(jù)各節(jié)點變形量與切削力和切削深度之間基本呈線性關系，構造以薄壁件變形量為自變量的線性函數(shù)來計算切削余量；由于切削變形量較小，定義變形量放大系數(shù)α,使變形量δ用來對薄壁件進行余量λ構造，以提高工件剛度，定義如下:λ =K+ α δ (I) 其中K為常數(shù)； 步驟3.根據(jù)薄壁葉片實際加工情況，在對應的最小變形量Smin的第Um截面線第Vn節(jié)點確定最大精加余量λ _，對應最大變形量δ max的第ug截面線的第Vh節(jié)點確定最小精加工余量λ min ;根據(jù)方程組兩組解(δ min，λ max)、( δ _，λ min)確定系數(shù)K，α，并計算出uXv個節(jié)點對應的余量值； 步驟4.將得到切削余量分別加載到各個載荷結點上，得到這些結點精加工非均勻余量值； 步驟5.沿薄壁件軸向方向每一個截面線上一組余量分布參數(shù)點,作為控制點,構造三次樣條曲線LpL2A3-Lu,光順后即可作為薄壁件在這一截面高度精加工余量輪廓線； 步驟6.將得到的曲線通過掃掠方法構成面，得到由非均勻余量方法構造的精加工前葉片曲面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于非均勻余量的增強薄壁葉片工藝剛度的方法；從薄壁葉片精加工前調(diào)節(jié)毛坯工藝剛度的角度出發(fā)，按照該方法進行銑削加工能有效控制薄壁葉片機加工變形，減小加工誤差；由于葉片在銑削力的作用下產(chǎn)生的變形主要在葉片的法向方向,通過分析葉片各點在施加相同切削力下的變形量，研究、找出葉片在銑削條件下的各點剛度，以及整個葉片的剛度變化趨勢，在此基礎上對葉片精加工余量分布方法進行優(yōu)化，減少薄壁葉片精加工過程中的切削變形。本發(fā)明從加工切削力優(yōu)化和工件剛度優(yōu)化兩個方面提高其切削過程的穩(wěn)定性,解決了薄壁葉片數(shù)控銑削精加工剛度不足引起的變形問題。
文檔編號B23C3/18GK103084639SQ20131002141
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權日2013年1月21日
發(fā)明者劉維偉, 單晨偉, 李曉燕, 陳昊, 王東方, 蔡元元 申請人:西北工業(yè)大學