[发明专利]闭式整体叶盘五坐标插铣加工方法

说明书

技术领域

本发明属于精密、超精密切削加工技术领域，特别是涉及航空发动机闭式整体叶盘的插铣加工方法。

背景技术

航空发动机的风扇、压气机普遍采用整体叶盘结构形式。与传统的叶片和轮盘装配结构相比，整体叶盘省去了榫头、榫槽和锁紧装置，避免了榫头气流损失；同时，大量减少零件数量，减轻结构重量。整体叶盘叶片的发展趋势是形状越来越复杂、壁厚越来越薄。运用薄壁、超薄叶片技术，可以解决压气机气流速度从亚音速提升到超音速所引起的叶片前缘激波、叶尖气流分离等问题，从而大幅度提高压气机气体流量和单级压比，航空发动机整体结构的气动布局和使用效率得到很大提高。针对整体叶盘类复杂结构零件，利用精密铸造或精密锻造等手段进行生产的工艺难度很大。在这种情形下，为了制造出能够满足现代设计要求的高质量部件，就需要采用切削加工技术。

闭式整体叶盘是航空发动机采用的新结构，该结构与开式叶盘相比，采用了内/外环与叶片一体化结构，减少了结构间的连接，避免了榫头气流损失、减少了结构重量和零件数量；在气动布局上采用了宽弦、弯掠叶片和窄流道，提高了气动效率；同时使发动机结构大为简化。目前，我国在新型发动机设计中也采用了闭式整体叶盘结构，但是闭式整体叶盘具有结构复杂、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，故其数控加工制造技术成为制约其快速应用的重要难题。

现有技术中的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；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分别从进气边和排气边进刀，控制难度较大；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；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，求解边界线逼近直母线，确定插铣通道边界，其约束条件多，求解过程复杂。

发明内容

为了解决现有技术中闭式整体叶盘在加工时存在编程难度大、约束条件多、刀具轨迹求解过程复杂的不足，本发明提出一种闭式整体叶盘五坐标插铣加工方法，针对闭式整体叶盘结构特点采用五坐标插铣加工方式，从而有效解决了闭式整体叶盘的切削难题。

本发明解决其技术问题的技术方案是采用逆向推理的方法，通过对加工成型后闭式整体叶盘的叶片形状反向求解，生成所需的加工刀具轨迹。本发明定义叶盘的中心轴线与机床Y轴重合，Y轴正向朝上，加工坐标系与机床坐标系重合，具体包括以下步骤：

(1)对加工的闭式整体叶盘的通道进行加工区域划分，其方法如下：

分别定义一个叶盘的通道内对应的四个面，即叶盘内轮毂与叶片相接的面为内环面，叶盘外轮毂与叶片相接的面为外环面；叶盘的一个通道内相邻的两个叶片对应的两个面一个为叶背面，另一个为叶盆面；定义内环面与叶片相接的线为叶根子午线；外环面与叶片相接的线为叶尖子午线。

连接叶盆面的叶尖子午线两端点得到第一线段，连接该叶盆面的叶根子午线两端点得到第二线段，连接第一线段和第二线段的中点得到第三线段；连接同一通道中相应的叶背面的叶尖子午线两端点得到第四线段，连接该叶背面的叶根子午线两端点得到第五线段，连接第四线段和第五线段的中点得到第六线段；以第三线段和第六线段为准线，构造叶盘通道区域划分直纹面，将叶盘通道划分为两个加工区域，其中，进气边一侧为进气边加工区域，由所述通道内进气边的内环面、外环面、叶盆面、叶背面和叶盘通道区域划分直纹面围成；排气边一侧为排气边加工区域，由所述通道内排气边的内环面、外环面、叶盆面、叶背面和叶盘通道区域划分直纹面围成。

(2)对进气边加工区域通道内的面进行偏置，生成通道内各面的偏置面，其方法如下：

对进气边加工区域内的内环面向外环面方向偏置得到内环面偏置面，外环面向内环面方向偏置得到外环面偏置面，叶盆面向叶背面方向偏置得到叶盆面偏置面，叶背面向叶盆面方向偏置得到叶背面偏置面，其偏置距离为加工刀具的半径加上粗加工余量，粗加工余量取0.3～1.5mm。

(3)对进气边加工区域通道边界线进行求解，求解方法如下：

进气边加工区域通道有四条边界线，第一边界线是叶背面偏置面与内环面偏置面的交线的逼近直母线，第二边界线是内环面偏置面与叶盆面偏置面的交线的逼近直母线，第三边界线是叶盆面偏置面与外环面偏置面的交线的逼近直母线，第四边界线是外环面偏置面与叶背面偏置面的交线的逼近直母线。

(a)第一边界线求解方法如下：