闭式整体叶盘通道五坐标插铣加工方法

闭式整体叶盘通道五坐标插铣加工方法

封闭式总叶盘是现代高宣传密度航空发动机采用的一种新结构。该结构采用内部和外部相结合的结构，减少了结构之间的连接，避免了泵头的气体损失，降低了结构重量和零件的数量。在气布局上，采用宽绳、弯钳和窄道，提高了气效率。同时，发动机结构得到了简化，重新部分和可靠性得到了改善。目前,我国在新型发动机设计中也采用了整体叶盘结构,但是其数控加工制造技术成为制约其快速应用的重要难题。整体叶盘锻造毛坯一般为矮圆柱状,与最终零件的形状存在较大差别。从毛坯到成品的加工过程中,约有90%的材料被切除,其中绝大部分是在叶盘通道的粗加工阶段完成的。因此,整体叶盘通道开槽粗加工工艺的优劣对其加工效率具有重要的影响作用。整体叶盘制造技术属国际性难题,且被国外严密封锁。目前国内关于整体叶盘数控加工的文献较少:西北工业大学研究了整体叶盘插铣和侧铣开槽方法,但都是针对开式整体叶盘进行的研究;目前尚未有关于闭式整体叶盘开槽粗加工的文献。本文针对闭式整体叶盘结构特点研究了其插铣开槽方法,提出了闭式整体叶盘插铣通道边界线求解方法和偏置直纹包络面逼近方法,并在此基础上生成了闭式整体叶盘五坐标插铣刀位轨迹。1叶片国内板的密封性能分析1.1整体叶盘插铣加工的基本特点插铣法(PlungeMilling)又称为z轴铣削法,是近年来提出的一种针对较深腔槽的高效率加工方法,该方法在加工过程中刀具沿刀轴方向做进给运动,利用底部的切削刃进行钻、铣组合切削。插铣加工可大幅降低刀具的径向切削力,使切削力保持稳定,可有效抑制刀具的振动现象,大大提高切削效率。典型的闭式整体叶盘结构如图1所示,其具有结构复杂、开敞性差,材料难加工、切除率大,叶片薄、加工颤振控制难等工艺特征。因此在闭式整体叶盘通道开槽阶段,采用插铣加工方式可快速有效地实现闭式整体叶盘的开槽粗加工,并可提高闭式整体叶盘加工中的稳定性。闭式整体叶盘插铣加工相对于开式整体叶盘具有以下特点:(1)开式整体叶盘因其开式结构多采用四坐标加工方式,刀具沿叶盘径向进行插铣加工;而闭式整体叶盘通道是一个封闭区域,叶片长、弯扭大,相邻叶片相互遮掩,通道开敞性差,必须采用五坐标加工方式从进排气边进刀,编程难度较大。(2)开式整体叶盘插铣加工区域只受相邻叶片约束,通道区域开敞、易于求解;而闭式整体叶盘通道不仅受相邻叶片的约束,同时还受到内外环面的约束,在求解内外环(叶片)偏置直纹包络面时必须考虑相邻叶片(内外环)的影响,求解边界线最佳逼近直母线,从而确定插铣通道边界,其约束条件多、求解过程复杂。(3)一般情况下,闭式整体叶盘叶片弯扭大,无论刀具从通道的进气边还是从排气边单侧切入,都不能一次完成通道的加工,因此,需要对闭式叶盘进行通道划分,采用进排气边双侧对接方式加工。由插铣工艺可知,插铣加工做的是轴向直线进给运动,因此在进行整体叶盘通道插铣粗加工时必须以直线作为其刀位轨迹引导线,其边界面的偏置面应为直纹曲面。而整体叶盘叶片面及内外环面偏置后不是直纹曲面,相应的截面线为曲线而非直线,无法由此得到插铣加工的刀位轨迹。因此求解时先对叶片型面进行偏置,然后对偏置叶片型面求解直纹包络面,该包络面的直母线方向即可作为无干涉插铣刀位轨迹的刀轴方向,其相对应的刀位点在该条直母线上。1.2叶盘不可加工原因在进行闭式整体叶盘加工时,针对闭式整体叶盘通道结构复杂、开敞性差特点,需要评价其可加工性。闭式整体叶盘就其加工特征属性来讲属于典型的通道加工,通道按其可加工性可分为如图2所示的3种加工形式:单侧加工、双侧对接加工、双侧对接不可加工。其中,图2(a)所示的叶盘叶片的叶背是单侧可加工的(为显示清楚,外环未给出);图2(b)所示的叶盘叶片的叶背无法采用单侧加工完成,必须采用双侧对接加工(为显示清楚,外环未给出);图2(c)所示的弯曲通道(剖面图)由于通道长、弯曲度大,即使采用长径比大的细长刀具,通道的有些部位也是不可达,即该叶盘不可加工。对于一些叶片轴向高度较大、扭曲程度较大的闭式叶盘加工而言,即使满足图2(a)所示的单侧可加工条件,但由于受相邻叶片及内、外环的约束,或受刀具长度和刚度等限制,五轴联动数控加工设备通常无法从一端完成整个通道和叶片的加工,因此也需采用从进排气边双侧对接方式。2叶片总体布局的自由曲线的直方面的解决方案2.1对接加工区域划分对需要双侧对接才可加工的通道进行合理划分,可使其转化为两个对接的可加工通道区域,然后从进、排气口两侧进刀,完成整个通道的对接加工。合理地划分对接加工区域,可缩短加工刀具长度,增加切削刀具刚性,又可提高加工效率。如何合理划分对接加工区域是研究闭式叶盘通道五坐标开槽加工的重点之一。双侧对接可加工通道区域划分的原则是:到两端对接加工分界面时,使所需的刀具长度相近,且使完成叶盘加工刀具的最大长度为最小值。根据在分界处令从两端加工的刀具长度相近的加工区域划分准则,可以通过如图3所示方法划分叶盘通道区域:(1)分别用直线连接叶片叶盆面的叶尖子午线两端点和叶根子午线两端点,提取两条直线的中点记为A、B,连接A、B得到直线LAB。同理求出同一通道中相应的叶背面上直线LCD,如图3(a)所示。(2)以直线LAB和LCD为准线构造直纹面Г,曲面Г即可作为划分叶盘通道区域的平面,通道区域被分为两个加工区域,记为进气边加工区域和排气边加工区域,如图3(b)所示。2.2偏置直纹包络闭式整体叶盘通道加工区域分为进气边加工区域和排气边加工区域,两者都受叶背、叶盆及内、外环的约束,因此需对进排气边加工区域内的叶背、叶盆面和内外环面进行偏置直纹包络。以进气边为例,分别记这4张曲面为S1、S2、S3、S4,将其沿通道内部方向偏置一个距离:刀具半径+粗加工余量,生成S1、S2、S3、S4的偏置面Soff1、Soff2、Soff3、Soff4,如图4所示。2.3形貌直较多的有效位阶法确定闭式整体叶盘自由曲面偏置面的直纹包络面求解过程包括以下3个步骤:(1)通道边界线的求解闭式整体叶盘通道由叶背面、内环面、(构成同一通道的相邻叶片)叶盆面、外环面构成,求取其通道边界线就是求取叶背偏置面与内环偏置面、内环偏置面与叶盆偏置面、叶盆偏置面与外环偏置面、外环偏置面与叶背偏置面的4条交线的最佳逼近直母线L13、L32、L24、L41,这4条直母线既是相应叶背偏置面、内环偏置面、叶盆偏置面、外环偏置面的边界线,也是通道的边界线。(2)包络直母线的确定用平面截取自由曲面,得到m-1条截面线,针对每条截面线计算其逼近的包络直母线,如图5所示,最终得到m-1条直母线Li(i=1,2,…,m-1)。逼近的包络直母线要遵循以下两个原则:①直母线要位于截面线的包络侧;②直母线与截面线所包围的面积最小。(3)直纹面的生成记由第(1)步所求的相应的自由曲面的两条边界线分别为Lbl和Lbr,与由第(2)步生成的m-1条包络直母线组成m+1条直线(Lbl,L1,L2,…,Lm-2,Lm-1,Lbr),提取这m+1条直母线的两端端点作为型值点,构造准线c1(u)与c2(u),从而生成直纹面p(u,v)。3旋转曲面与自由曲面交线对于闭式整体叶盘来说,4条通道边界线分别由叶背与内环、内环与叶盆、叶盆与外环、外环与叶背确定。由于内环、外环均为旋转曲面,而叶背、叶盆均为自由曲面,因此通道边界线的求解问题即为旋转曲面与自由曲面交线的最佳逼近直母线求解问题。以五轴加工方式下(X、Y、Z、A、B,其中叶盘轴向方向为Y轴,OXZ平面原点位于叶盘回转中心,如图1所示,加工坐标系与机床坐标系重合。)整体叶盘内环偏置面与叶背偏置面交线的最佳逼近直母线L13求解过程为例,介绍旋转与自由曲面交线的最佳逼近直母线求解方法如下。3.1平面i0,求取截面倾角在求取通道边界线时需计算所求直线与内环偏置面及叶背偏置面所围的面积之和,其计算方法如下:(1)在如图4所示的整体叶盘进气边做垂直于Y轴的任意平面Π,在平面Π内做与Y轴相交的直线LCD,记交点为O′。通过直线LCD做与平面Π夹角为αi的平面Ψi0,求取Ψi0平面截取曲面Soff3的截交线,记为曲线lAB,记以αi为变量的角度值α为求取截交线时的截面倾角,如图6所示。(2)按照文献中最小面积原理在平面Ψi0内求得内环偏置面Soff3的最佳包络直母线LEF,如图7所示,记此时直线LEF在平面Ψi0内与曲线lAB围成的面积为Si3。(3)将平面Ψi0与直线LEF绕Y轴正向旋转到直线LEF与曲面Soff1只有一个切点(或交点)Pi为止,旋转后的平面Ψi0与直线LEF分别记为平面Ψi与直线Li。(4)过点Pi做平面Φi垂直于平面Ψi,求取平面Φi与曲面Soff1的交线为曲线lGH,计算直线Li在平面Φi内与曲线lGH围成的面积,记为Si1,则直线Li与叶背偏置面Soff1及内环偏置面Soff3所围的面积之和Si=Si1+Si3。3.2确定极限位置由于平面Ψi0绕Y轴旋转后可得平面Ψi,而空间任意与Y轴相交于O′点的平面Ψ都可以绕Y轴旋转成为以αi为变量且通过直线LCD的平面Ψi0,因此可将空间任意与Y轴相交于O′点的平面Ψ等价为以αi为变量且通过直线LCD的平面Ψi0。根据整体叶盘的结构特点,分别以刀具平行于Y轴和刀具在通道内不干涉情况下的最大倾斜位置作为截面倾角α的极限位置,确定α的取值区间方法如下:(1)求取叶背偏置面Soff1与内环偏置面Soff3的交线lIJ,求取叶盆偏置面Soff2与内环偏置面Soff3的交线lKL,连接点I和点J得到直线LIJ,连接点I和点L得到直线LIL,如图8所示。(2)求取平面Π与直线LIJ的交点M,连接点M与点O′得到直线O′M,通过直线LIJ与直线O′M做平面Ψ00,记平面Ψ00与平面Π的夹角为α0。同理得到通过直线LIL与直线O′N的平面Ψ10,记平面Ψ10与平面Π的夹角为α1。通过点O′做垂直于平面Π的平面Ψ20,记平面Ψ20与平面Π的夹角为α2,如图9所示。令αi=α0,区间[α1,α2]构成了截平面与平面Π的截面倾角α的取值区间。3.3ss、s1、si求解旋转曲面与自由曲面交线的最佳逼近直母线,以内外环偏置面和叶片偏置面为例,就是求解当Si为最小值Smin时的α值αi。边界线满足与对应曲面所围面积之和最小原则,可以最大限度地去除粗加工余量。具体求解步骤如下:(1)分别计算当夹角α为α1、α2、αi时,最小面积原理求得的直线Li与叶背偏置面Soff1及内环偏置面Soff3所围的面积之和S1、S2、Si。(2)比较S1、S2、Si三者大小,分如图10所示3种情况,计算Δ1=αi-α1,Δ2=α2-αi,如果:①S1>Si>S2,如图10(a)所示;则令α1=αi,αi=α2,α2=α2+Δ2。②S1<Si<S2,如图10(b)所示;则令α2=αi,αi=α1,α1=α1-Δ1。③Si<S1,且Si<S2,如图10(c)所示;则令α1=α1+Δ1/2,α2=α2-Δ2/2。(3)重复步骤(1)和(2)直到S1、S2、Si三者数值足够接近或者Δ1、Δ2的值足够小时结束,记此时的直线Li为直线L13、L13即为叶背偏置面与内环偏置面交线的最佳逼近直母线,也是闭式整体叶盘的通道边界线。记此时的夹角αi为α13,平面Ψi为平面Ψ13,平面Φi为平面Φ13。同理可求得内环偏置面与叶盆偏置面、叶盆偏置面与外环偏置面、外环偏置面与叶背偏置面的3条交线的最佳逼近直母线L32、L24、L41,如图11所示。记在求解L32、L24、L41过程中相应的夹角αi为α32、α24、α41;相应的平面Ψi为平面Ψ32、Ψ24、Ψ41;相应的平面Φi为平面Φ32、Φ24、Φ41。4直条纹包络面生成方法4.1偏置直纹包络面的生成(1)分别求取平面Ψ13、Ψ32与平面Π的交线O′P、O′Q,记O′P、O′Q与X轴的夹角分别为θ13、θ32。(2)取Δθ=(θ13-θ32)/m,Δα=(α13-α32)/m,在平面Ψ13与Ψ32之间插值m-1个截平面Ψi(i=1,2,…,m-1),如图12所示,其中平面Ψi对应的θi与αi分别为:θi=θ32+iΔθ,αi=α32+iΔα。(3)求取平面Ψi与内环偏置Soff3的交线,利用面积最小原理求得在各截平面内与内环交线的最佳逼近直母线Li。(4)取Li(i=1,2,…,m-1)与2.3节中生成的叶背偏置面与内环偏置面交线的最佳逼近直母线L13和内环偏置面与叶盆偏置面交线的最佳逼近直母线L32组成m+1条直线(L13,L1,L2,…,Lm-2,Lm-1,L32),提取这m+1条直母线的两端端点作为型值点,构造准线c1(u)与c2(u),从而生成内环的偏置直纹包络面R3=p(u,v)。同理求得外环的偏置直纹包络面R4,生成的整体叶盘内、外环偏置直纹包络面R3、R4如图13所示。4.2偏置直纹包络面的生成(1)用平面Φ13、Φ41截取叶背偏置面进排气边的两条边界线,参数化后记为l1、l2,由l1、l2构造直纹面Z。(2)提取直纹面Z的U向参数线SiTi(i=1,2,….,m-1),记直线SiTi的中点为点Wi,将直线SiTi沿直纹面Z上点Wi的法矢方向拉伸成面,记为平面Φi(i=1,2,…,m-1),如图14所示。(3)求取平面Φi与叶背偏置Soff1的交线,利用面积最小原理求得在各截平面内与叶背交线的最佳逼