閉式整體葉盤通道五坐標插銑加工方法

封閉式總葉盤是現代高宣傳密度航空發動機采用的一種新結構。該結構采用內部和外部相結合的結構，減少了結構之間的連接，避免了泵頭的氣體損失，降低了結構重量和零件的數量。在氣布局上，采用寬繩、彎鉗和窄道，提高了氣效率。同時，發動機結構得到了簡化，重新部分和可靠性得到了改善。目前,我國在新型發動機設計中也采用了整體葉盤結構,但是其數控加工制造技術成為制約其快速應用的重要難題。整體葉盤鍛造毛坯一般為矮圓柱狀,與最終零件的形狀存在較大差別。從毛坯到成品的加工過程中,約有90%的材料被切除,其中絕大部分是在葉盤通道的粗加工階段完成的。因此,整體葉盤通道開槽粗加工工藝的優劣對其加工效率具有重要的影響作用。整體葉盤制造技術屬國際性難題,且被國外嚴密封鎖。目前國內關于整體葉盤數控加工的文獻較少:西北工業大學研究了整體葉盤插銑和側銑開槽方法,但都是針對開式整體葉盤進行的研究;目前尚未有關于閉式整體葉盤開槽粗加工的文獻。本文針對閉式整體葉盤結構特點研究了其插銑開槽方法,提出了閉式整體葉盤插銑通道邊界線求解方法和偏置直紋包絡面逼近方法,并在此基礎上生成了閉式整體葉盤五坐標插銑刀位軌跡。1葉片國內板的密封性能分析1.1整體葉盤插銑加工的基本特點插銑法(PlungeMilling)又稱為z軸銑削法,是近年來提出的一種針對較深腔槽的高效率加工方法,該方法在加工過程中刀具沿刀軸方向做進給運動,利用底部的切削刃進行鉆、銑組合切削。插銑加工可大幅降低刀具的徑向切削力,使切削力保持穩定,可有效抑制刀具的振動現象,大大提高切削效率。典型的閉式整體葉盤結構如圖1所示,其具有結構復雜、開敞性差,材料難加工、切除率大,葉片薄、加工顫振控制難等工藝特征。因此在閉式整體葉盤通道開槽階段,采用插銑加工方式可快速有效地實現閉式整體葉盤的開槽粗加工,并可提高閉式整體葉盤加工中的穩定性。閉式整體葉盤插銑加工相對于開式整體葉盤具有以下特點:(1)開式整體葉盤因其開式結構多采用四坐標加工方式,刀具沿葉盤徑向進行插銑加工;而閉式整體葉盤通道是一個封閉區域,葉片長、彎扭大,相鄰葉片相互遮掩,通道開敞性差,必須采用五坐標加工方式從進排氣邊進刀,編程難度較大。(2)開式整體葉盤插銑加工區域只受相鄰葉片約束,通道區域開敞、易于求解;而閉式整體葉盤通道不僅受相鄰葉片的約束,同時還受到內外環面的約束,在求解內外環(葉片)偏置直紋包絡面時必須考慮相鄰葉片(內外環)的影響,求解邊界線最佳逼近直母線,從而確定插銑通道邊界,其約束條件多、求解過程復雜。(3)一般情況下,閉式整體葉盤葉片彎扭大,無論刀具從通道的進氣邊還是從排氣邊單側切入,都不能一次完成通道的加工,因此,需要對閉式葉盤進行通道劃分,采用進排氣邊雙側對接方式加工。由插銑工藝可知,插銑加工做的是軸向直線進給運動,因此在進行整體葉盤通道插銑粗加工時必須以直線作為其刀位軌跡引導線,其邊界面的偏置面應為直紋曲面。而整體葉盤葉片面及內外環面偏置后不是直紋曲面,相應的截面線為曲線而非直線,無法由此得到插銑加工的刀位軌跡。因此求解時先對葉片型面進行偏置,然后對偏置葉片型面求解直紋包絡面,該包絡面的直母線方向即可作為無干涉插銑刀位軌跡的刀軸方向,其相對應的刀位點在該條直母線上。1.2葉盤不可加工原因在進行閉式整體葉盤加工時,針對閉式整體葉盤通道結構復雜、開敞性差特點,需要評價其可加工性。閉式整體葉盤就其加工特征屬性來講屬于典型的通道加工,通道按其可加工性可分為如圖2所示的3種加工形式:單側加工、雙側對接加工、雙側對接不可加工。其中,圖2(a)所示的葉盤葉片的葉背是單側可加工的(為顯示清楚,外環未給出);圖2(b)所示的葉盤葉片的葉背無法采用單側加工完成,必須采用雙側對接加工(為顯示清楚,外環未給出);圖2(c)所示的彎曲通道(剖面圖)由于通道長、彎曲度大,即使采用長徑比大的細長刀具,通道的有些部位也是不可達,即該葉盤不可加工。對于一些葉片軸向高度較大、扭曲程度較大的閉式葉盤加工而言,即使滿足圖2(a)所示的單側可加工條件,但由于受相鄰葉片及內、外環的約束,或受刀具長度和剛度等限制,五軸聯動數控加工設備通常無法從一端完成整個通道和葉片的加工,因此也需采用從進排氣邊雙側對接方式。2葉片總體布局的自由曲線的直方面的解決方案2.1對接加工區域劃分對需要雙側對接才可加工的通道進行合理劃分,可使其轉化為兩個對接的可加工通道區域,然后從進、排氣口兩側進刀,完成整個通道的對接加工。合理地劃分對接加工區域,可縮短加工刀具長度,增加切削刀具剛性,又可提高加工效率。如何合理劃分對接加工區域是研究閉式葉盤通道五坐標開槽加工的重點之一。雙側對接可加工通道區域劃分的原則是:到兩端對接加工分界面時,使所需的刀具長度相近,且使完成葉盤加工刀具的最大長度為最小值。根據在分界處令從兩端加工的刀具長度相近的加工區域劃分準則,可以通過如圖3所示方法劃分葉盤通道區域:(1)分別用直線連接葉片葉盆面的葉尖子午線兩端點和葉根子午線兩端點,提取兩條直線的中點記為A、B,連接A、B得到直線LAB。同理求出同一通道中相應的葉背面上直線LCD,如圖3(a)所示。(2)以直線LAB和LCD為準線構造直紋面Г,曲面Г即可作為劃分葉盤通道區域的平面,通道區域被分為兩個加工區域,記為進氣邊加工區域和排氣邊加工區域,如圖3(b)所示。2.2偏置直紋包絡閉式整體葉盤通道加工區域分為進氣邊加工區域和排氣邊加工區域,兩者都受葉背、葉盆及內、外環的約束,因此需對進排氣邊加工區域內的葉背、葉盆面和內外環面進行偏置直紋包絡。以進氣邊為例,分別記這4張曲面為S1、S2、S3、S4,將其沿通道內部方向偏置一個距離:刀具半徑+粗加工余量,生成S1、S2、S3、S4的偏置面Soff1、Soff2、Soff3、Soff4,如圖4所示。2.3形貌直較多的有效位階法確定閉式整體葉盤自由曲面偏置面的直紋包絡面求解過程包括以下3個步驟:(1)通道邊界線的求解閉式整體葉盤通道由葉背面、內環面、(構成同一通道的相鄰葉片)葉盆面、外環面構成,求取其通道邊界線就是求取葉背偏置面與內環偏置面、內環偏置面與葉盆偏置面、葉盆偏置面與外環偏置面、外環偏置面與葉背偏置面的4條交線的最佳逼近直母線L13、L32、L24、L41,這4條直母線既是相應葉背偏置面、內環偏置面、葉盆偏置面、外環偏置面的邊界線,也是通道的邊界線。(2)包絡直母線的確定用平面截取自由曲面,得到m-1條截面線,針對每條截面線計算其逼近的包絡直母線,如圖5所示,最終得到m-1條直母線Li(i=1,2,…,m-1)。逼近的包絡直母線要遵循以下兩個原則:①直母線要位于截面線的包絡側;②直母線與截面線所包圍的面積最小。(3)直紋面的生成記由第(1)步所求的相應的自由曲面的兩條邊界線分別為Lbl和Lbr,與由第(2)步生成的m-1條包絡直母線組成m+1條直線(Lbl,L1,L2,…,Lm-2,Lm-1,Lbr),提取這m+1條直母線的兩端端點作為型值點,構造準線c1(u)與c2(u),從而生成直紋面p(u,v)。3旋轉曲面與自由曲面交線對于閉式整體葉盤來說,4條通道邊界線分別由葉背與內環、內環與葉盆、葉盆與外環、外環與葉背確定。由于內環、外環均為旋轉曲面,而葉背、葉盆均為自由曲面,因此通道邊界線的求解問題即為旋轉曲面與自由曲面交線的最佳逼近直母線求解問題。以五軸加工方式下(X、Y、Z、A、B,其中葉盤軸向方向為Y軸,OXZ平面原點位于葉盤回轉中心,如圖1所示,加工坐標系與機床坐標系重合。)整體葉盤內環偏置面與葉背偏置面交線的最佳逼近直母線L13求解過程為例,介紹旋轉與自由曲面交線的最佳逼近直母線求解方法如下。3.1平面i0,求取截面傾角在求取通道邊界線時需計算所求直線與內環偏置面及葉背偏置面所圍的面積之和,其計算方法如下:(1)在如圖4所示的整體葉盤進氣邊做垂直于Y軸的任意平面Π,在平面Π內做與Y軸相交的直線LCD,記交點為O′。通過直線LCD做與平面Π夾角為αi的平面Ψi0,求取Ψi0平面截取曲面Soff3的截交線,記為曲線lAB,記以αi為變量的角度值α為求取截交線時的截面傾角,如圖6所示。(2)按照文獻中最小面積原理在平面Ψi0內求得內環偏置面Soff3的最佳包絡直母線LEF,如圖7所示,記此時直線LEF在平面Ψi0內與曲線lAB圍成的面積為Si3。(3)將平面Ψi0與直線LEF繞Y軸正向旋轉到直線LEF與曲面Soff1只有一個切點(或交點)Pi為止,旋轉后的平面Ψi0與直線LEF分別記為平面Ψi與直線Li。(4)過點Pi做平面Φi垂直于平面Ψi,求取平面Φi與曲面Soff1的交線為曲線lGH,計算直線Li在平面Φi內與曲線lGH圍成的面積,記為Si1,則直線Li與葉背偏置面Soff1及內環偏置面Soff3所圍的面積之和Si=Si1+Si3。3.2確定極限位置由于平面Ψi0繞Y軸旋轉后可得平面Ψi,而空間任意與Y軸相交于O′點的平面Ψ都可以繞Y軸旋轉成為以αi為變量且通過直線LCD的平面Ψi0,因此可將空間任意與Y軸相交于O′點的平面Ψ等價為以αi為變量且通過直線LCD的平面Ψi0。根據整體葉盤的結構特點,分別以刀具平行于Y軸和刀具在通道內不干涉情況下的最大傾斜位置作為截面傾角α的極限位置,確定α的取值區間方法如下:(1)求取葉背偏置面Soff1與內環偏置面Soff3的交線lIJ,求取葉盆偏置面Soff2與內環偏置面Soff3的交線lKL,連接點I和點J得到直線LIJ,連接點I和點L得到直線LIL,如圖8所示。(2)求取平面Π與直線LIJ的交點M,連接點M與點O′得到直線O′M,通過直線LIJ與直線O′M做平面Ψ00,記平面Ψ00與平面Π的夾角為α0。同理得到通過直線LIL與直線O′N的平面Ψ10,記平面Ψ10與平面Π的夾角為α1。通過點O′做垂直于平面Π的平面Ψ20,記平面Ψ20與平面Π的夾角為α2,如圖9所示。令αi=α0,區間[α1,α2]構成了截平面與平面Π的截面傾角α的取值區間。3.3ss、s1、si求解旋轉曲面與自由曲面交線的最佳逼近直母線,以內外環偏置面和葉片偏置面為例,就是求解當Si為最小值Smin時的α值αi。邊界線滿足與對應曲面所圍面積之和最小原則,可以最大限度地去除粗加工余量。具體求解步驟如下:(1)分別計算當夾角α為α1、α2、αi時,最小面積原理求得的直線Li與葉背偏置面Soff1及內環偏置面Soff3所圍的面積之和S1、S2、Si。(2)比較S1、S2、Si三者大小,分如圖10所示3種情況,計算Δ1=αi-α1,Δ2=α2-αi,如果:①S1>Si>S2,如圖10(a)所示;則令α1=αi,αi=α2,α2=α2+Δ2。②S1<Si<S2,如圖10(b)所示;則令α2=αi,αi=α1,α1=α1-Δ1。③Si<S1,且Si<S2,如圖10(c)所示;則令α1=α1+Δ1/2,α2=α2-Δ2/2。(3)重復步驟(1)和(2)直到S1、S2、Si三者數值足夠接近或者Δ1、Δ2的值足夠小時結束,記此時的直線Li為直線L13、L13即為葉背偏置面與內環偏置面交線的最佳逼近直母線,也是閉式整體葉盤的通道邊界線。記此時的夾角αi為α13,平面Ψi為平面Ψ13,平面Φi為平面Φ13。同理可求得內環偏置面與葉盆偏置面、葉盆偏置面與外環偏置面、外環偏置面與葉背偏置面的3條交線的最佳逼近直母線L32、L24、L41,如圖11所示。記在求解L32、L24、L41過程中相應的夾角αi為α32、α24、α41;相應的平面Ψi為平面Ψ32、Ψ24、Ψ41;相應的平面Φi為平面Φ32、Φ24、Φ41。4直條紋包絡面生成方法4.1偏置直紋包絡面的生成(1)分別求取平面Ψ13、Ψ32與平面Π的交線O′P、O′Q,記O′P、O′Q與X軸的夾角分別為θ13、θ32。(2)取Δθ=(θ13-θ32)/m,Δα=(α13-α32)/m,在平面Ψ13與Ψ32之間插值m-1個截平面Ψi(i=1,2,…,m-1),如圖12所示,其中平面Ψi對應的θi與αi分別為:θi=θ32+iΔθ,αi=α32+iΔα。(3)求取平面Ψi與內環偏置Soff3的交線,利用面積最小原理求得在各截平面內與內環交線的最佳逼近直母線Li。(4)取Li(i=1,2,…,m-1)與2.3節中生成的葉背偏置面與內環偏置面交線的最佳逼近直母線L13和內環偏置面與葉盆偏置面交線的最佳逼近直母線L32組成m+1條直線(L13,L1,L2,…,Lm-2,Lm-1,L32),提取這m+1條直母線的兩端端點作為型值點,構造準線c1(u)與c2(u),從而生成內環的偏置直紋包絡面R3=p(u,v)。同理求得外環的偏置直紋包絡面R4,生成的整體葉盤內、外環偏置直紋包絡面R3、R4如圖13所示。4.2偏置直紋包絡面的生成(1)用平面Φ13、Φ41截取葉背偏置面進排氣邊的兩條邊界線,參數化后記為l1、l2,由l1、l2構造直紋面Z。(2)提取直紋面Z的U向參數線SiTi(i=1,2,….,m-1),記直線SiTi的中點為點Wi,將直線SiTi沿直紋面Z上點Wi的法矢方向拉伸成面,記為平面Φi(i=1,2,…,m-1),如圖14所示。(3)求取平面Φi與葉背偏置Soff1的交線,利用面積最小原理求得在各截平面內與葉背交線的最佳逼