[发明专利]一种基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法，属航空发动机叶片制造与精密切削加工领域。

背景技术

叶片是航空发动机的核心零件，也是一种典型的薄壁类零件，其制造水平直接影响着航空发动机的气动性能。随着气动设计技术、结构技术和材料技术的不断发展，航空发动机叶片出现了弯、扭、薄、掠、轻的结构特点，同时也给其制造精度提出了更高的要求。

在实际的铣削加工过程中，由于受到切削力、切削热和金属金相撕裂的共同作用，叶片会产生加工变形，导致加工后的叶片精度和轮廓度较差。目前，国内薄壁叶片制造精加工工艺是数控半精加工与手工打磨精加工；主要是因为叶片属于薄壁曲面零件，加工变形难以控制，为避免出现废品，必须留有足够的余量补偿数控加工引起的变形，最后依靠人工操作进行抛光，用“边打磨、边检验”的方法将叶片留有的余量逐步去除掉。但由于手工打磨过程无冷却液，靠样板控制叶片截面形状，故加工效率低、劳动强度大，表面精度低、波纹度大，易烧伤、质量不稳定，无法满足薄壁叶片对壁厚和叶型精度控制的要求。

同时，在工程实践中，为了消除加工变形对薄壁叶片数控加工精度的不利影响，常通过采用一些工艺措施来减小叶片的加工变形，从而保证加工精度达到设计要求。目前主要采取的手段有:优化数控切削参数以减小切削力，例如，沿着刀具的切削路径，局部调整主轴转速和进给速度等切削参数，使得切削力的大小不超过极限值，可以避免弹性让刀变形引起的超差现象；通过改进和优化装夹方案以增加零件的刚性，例如，采用叶片专用夹具或采用辅助支撑的手段；这些措施可以减小叶片的加工变形和加工误差，但这就必然要增加很多额外的工序，而且这些工艺措施主要是以定性分析和实际加工经验为基础的，缺乏定量分析和操作规范，不仅零件的精度和质量难以保证，而且严重影响了加工效率。

加工变形是影响薄壁叶片数控加工效率、精度和表面质量的关键因素。针对现有的薄壁叶片加工工艺存在的不足，很有必要对现有的加工工艺方法进行优化和改进。从而寻找一种新的叶片加工变形，实现对薄壁叶片加工变形的有效控制，大幅提高加工精度和效率，以满足相关技术领域对改进和完善薄壁、超薄叶片精密铣削加工技术的迫切需求。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，克服薄壁件数控铣削精加工刚度不足引起的变形问题,本发明提出一种基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法。

本发明从薄壁叶片精加工前调节毛坯工艺刚度的角度出发，按照该方法进行铣削加工能有效控制薄壁叶片机加工变形，减小加工误差；由于叶片在铣削力的作用下产生的变形主要在叶片的法向方向；通过分析叶片各点在施加相同切削力下的变形量，研究找出叶片在铣削条件下的各点刚度，以及整个叶片的刚度变化趋势，在此基础上对叶片精加工余量分布方法进行优化，减少薄壁叶片精加工过程中的切削变形。

本发明基于非均匀余量的增强薄壁叶片工艺刚度的方法，其特点是包括以下步骤:

步骤1.采用有限元分析法对薄壁叶片进行变形分析，分别在薄壁叶片的叶背和叶盆上选取u×v节点,定义沿叶片轴向为U向，沿叶片截面线方向为V向，u×v个节点在U,V方向等参数分布，在各节点上施加一定的切削力，获得薄壁件在该切削力下各点的变形情况；

步骤2.根据各节点变形量与切削力和切削深度之间基本呈线性关系，构造以薄壁件变形量为自变量的线性函数来计算切削余量；由于切削变形量较小，定义变形量放大系数α,使变形量δ用来对薄壁件进行余量λ构造，以提高工件刚度，定义如下:

λ=K+αδ  (1)

其中K为常数；

步骤3.根据薄壁叶片实际加工情况，在对应的最小变形量δ_min的第u_m截面线第v_n节点确定最大精加余量λ_max，对应最大变形量δ_max的第u_g截面线的第v_h节点确定最小精加工余量λ_min；根据方程组两组解(δ_min,λ_max)、(δ_max,λ_min)确定系数K,α，并计算出u×v个节点对应的余量值；

步骤4.将得到切削余量分别加载到各个载荷结点上，得到这些结点精加工非均匀余量值；