[发明专利]微型整体叶轮的加工工艺方法

说明书

一种微型整体叶轮加工工艺方法，通过刀具路径设计以及虚拟加工过程仿真确定合适的刀具倾角，然后对铣削过程进行力热建模以优化加工参数，最后通过五轴数控机床以优化后的参数对微型整体叶轮进行数控铣削加工。本发明能够在保证加工质量的同时提高加工效率，实现该类型难加工材料整体叶轮制造技术的国产化，提升我国在航空发动机领域内的制造技术水平。

技术领域

本发明涉及的是一种航空工程制造领域的技术，具体是一种适用于镍基高温合金等材料制成的微型整体叶轮的加工工艺方法。

背景技术

微型涡轮喷气发动机压气机及涡轮一般均为整体叶轮，减少零件数量的同时简化叶片连接结构，为实现微型涡轮喷气发动机高性能(大推重比)及小尺寸等优势提供了基础。整体叶轮的叶型复杂，叶片薄且扭曲，流道窄且深，受力后变形大，精度要求高，叶片多且密，加工余量大；其工作时需要承受高温高压、燃气腐蚀、热应力等作用，这对整体叶轮的抗氧化性、耐腐蚀能力，抗疲劳性能，强度、塑性及冲击韧性等形成了极大的考验，故整体叶轮广泛采用钛合金、高温合金等高性能金属材料。材料的可加工性差，使得整体叶轮加工面临难加工结构与难加工材料所带来的双重挑战。

现有的整体叶轮加工方法都没有涉及到铣削参数选择与优化部分且没有提出完整的加工工艺，只是强调了走刀路径和五轴数控的整体加工方法。同时，对于微型整体叶轮来说，由于其尺寸原因，加工过程中存在碰撞、过切、干涉等问题，需要对加工路径进行进一步的研究。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种微型整体叶轮加工工艺方法，能够在保证加工质量的同时提高加工效率，实现该类型难加工材料整体叶轮制造技术的国产化，提升我国在航空发动机领域内的制造技术水平。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明进行刀具路径设计以及虚拟加工过程仿真后通过实验确定合适的刀具倾角，然后对铣削过程进行力热建模以优化加工参数，最后通过五轴数控机床以优化后的参数对微型整体叶轮进行数控铣削加工。

所述的通过实验确定合适的刀具倾角的具体过程为：在其他加工条件相同的情况下采用不同刀具倾角对铝合金毛坯进行叶片加工。观察不同刀具倾角下叶片的表面质量，选取最佳刀具倾角。

所述的优化加工参数是指：先对加工工件进行力热建模，再利用有限元算法优化加工参数，具体包括：

①对铣削力的建模以及对铣削温度的建模，其中：

1.1)铣削力模型为：每一铣削微元上切向力dF_t，j、径向力dF_r，j、轴向力dF_a，j分别为：对于铣刀第j条切削刃上的任意斜角铣削微元用标记，为该微元的相位角，z为该微元到切削刃底部的轴向距离且0≤z≤a_p，a_p为轴向切深，K_tc、K_rc、K_ac为面积力系数，用来描述切削刃在切向、径向以及轴向的剪切作用，K_te、K_re、K_ae为切向、径向、轴向的刃口力系数，为铣削微元的瞬时铣削厚度；

1.2)铣削温度模型为：其中C_t为切削温度系数，a、b、c、d为相应切削参数的指数，可通过切削标准实验或参考参考金属切削手册等方法确定。v为切削速度，a_e为径向切宽，f_z为进给量。

②以加工效率为优化目标对铣削粗加工进行基于切削力约束的动态参数优化，以及以加工精度为优化目标，对铣削精加工进行基于切削力、热约束的动态参数优化，具体步骤包括：

2.1)对粗加工的优化为以加工效率为优化目标综合考虑保持主轴转速稳定、防止刀具空切时进给速度过大等情况，对铣削粗加工进行基于切削力约束的动态参数优化。