[发明专利]一种基于控制线的航空发动机整体叶盘环形刀加工方法

说明书

本发明提供了一种基于控制线的航空发动机整体叶盘环形刀加工方法，涉及数控加工领域，利用控制线计算环形刀切削整体叶盘叶片的刀位点和刀轴矢量，规划叶盘铣削刀位轨迹，并且应用于整体叶盘的加工，本发明完成了基于控制线的整体叶盘通道环形刀四轴加工的刀具路径规划，将控制线方法应用到了环形刀加工中，本发明不仅显著提高了整体叶盘的加工表面质量，而且提高了加工效率，减少了工时和加工成本，另一方面，由于刀具寿命的提高，使得一把刀具在过度磨损前加工完大尺寸风扇叶盘的一个叶片表面成为了可能，避免了分区域加工造成的接刀痕迹明显的现象。

技术领域

本发明涉及数控加工领域，尤其是一种整体叶盘环形刀加工方法。

背景技术

新型高推比高性能航空发动机的低压压气机风扇和高压压气机转子普遍采用开式整体叶盘结构，相比于传统的叶片和轮盘装配的结构，整体叶盘省去了连接部件，减少了部件数量，使发动机结构大为简化，重量减轻，因此整体叶盘结构在航空领域得到了广泛应用。然而，整体叶盘具有结构复杂、开敞性差、叶片薄、加工变形控制难等工艺特征，这给整体叶盘的加工带来了很大的困难，主要表现在：(1)结构复杂、开敞性差，刀轴方向难以确定，数控加工编程难。叶盘叶片大多采用宽弦、大弯扭、大展长、叶片多的结构，使得叶盘通道越来越窄，完成加工必须采用细长刀具，所以在编程中尽量选择刀长较短的刀轴方向，以提高刀具刚性。(2)材料难加工、切除材料多，加工效率低，叶片薄，残余应力变形控制难。整体叶盘材料多为钛合金、高温合金等难加工材料，其热硬度和热强度均很高，切削过程中表现出很高的动态切变强度，加剧刀具切削刃的磨损，同时工件和刀具之间的粘结行为容易形成不稳定的积屑瘤，降低工件表面的加工质量。

整体风扇叶盘的加工中，由于其材料的难加工特性及叶片面积大，使得刀具磨损严重。采用球头刀加工时，其与工件表面接触面积大，磨损尤为严重，精加工叶身过程需要换刀，只能对接加工完成。普通的解决方法是采用分区域加工，这种方法不仅操作过程复杂，增加了加工成本，而且造成各区域之间接刀痕迹明显，影响工件的表面完整性。此外，球头刀加工时切削力大于环形刀，采用一种刀轴控制方式加工超长叶片时必须采用超长刀具和刀柄系统，这造成了刀具颤振严重，影响加工表面质量，减低刀具寿命。

针对整体叶盘通道加工中刀轴控制的难题，有学者提出了一种四轴控制线加工方式：在整体叶盘通道高度方向上离散出一系列的摆刀平面，构造出摆刀平面内每个刀位点的无干涉可用刀轴域，取其公共部分作为该摆刀平面的无干涉刀轴摆动区间；在高度方向上所有摆刀平面的无干涉刀轴摆动区间中，取一条连续变化且光顺的纵向曲线作为控制线，则连接控制线上的任意一点和与其等高的刀位点所成的刀轴都可用于通道加工。用控制线控制刀轴来加工开式整体叶盘的通道，不仅可以解决开式叶盘叶片加工中的刀具干涉问题，而且有效避免了刀轴突变引起的叶片啃伤现象，明显提高了叶片表面的加工质量，但是目前还没有将控制线用于环形刀加工中的研究。

现代数控加工中，除了平底刀和球头刀以外，环形刀的应用也越来越广泛。相比于平底刀，环形刀在加工中刀刃磨损小，刀具寿命相对较长，而且加工出的零件表面粗糙度小，表面质量高。相比于球头刀，环形刀在加工时可以采用更高的线速度，加工效率高；环形刀通过倒角环带与加工表面接触，接触面积比球头刀小，有效地降低了刀具磨损。综上所述，环形刀同时具备了平底刀和球头刀的优点，尤其在自由曲面的多轴数控加工中，环形刀的有效半径大，表面质量和加工效率明显提高。

发明内容

为了克服现有技术操作过程复杂，加工质量不高，效率低下的不足，本发明提出了一种基于控制线的环形刀加工航空发动机整体叶盘的方法，利用控制线计算环形刀切削整体叶盘叶片的刀位点和刀轴矢量，规划叶盘铣削刀位轨迹，并且应用于整体叶盘的加工。本发明有效降低了整体叶盘加工中刀具的磨损，提高了加工效率与表面质量，使加工工艺更为合理。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1、根据整体叶盘通道的模型，构造通道加工所需的球头刀无干涉刀轴控制线；