微型整体叶轮的加工工艺方法与流程

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。

技术实现要素：

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：每一切屑微元上切向力dft,j、径向力dfr,j、轴向力dfa,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≤ap，ap为轴向切深，ktc、krc、kac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，kte、kre、kae为切向、径向、轴向的刃口力系数，为切屑微元的瞬时切屑厚度；

1.2)铣削温度模型为：其中ct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，ae为径向切宽，fz为进给量，ap为背吃刀量。

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。

具体地，对切削过程施加以下约束条件：

i)保持单位切削量为定值；

ii)限制进口进给速度fin与出口进给速度fout；

iii)限制需要优化的切削力的最大值，使加工过程切削力始终处于这一值之下。

2.2)对精加工的优化为以加工精度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精加工进行基于切削力、热约束的动态参数优化。

具体地，对切削过程施加以下约束条件：

i)保持单位切削量为定值；

ii)限制进口进给速度fin与出口进给速度fout；

iii)规定切削力的上下限，是的加工过程中切削力始终处于这一范围。

所述的数控铣削加工包括：流道开槽粗加工、叶片半精加工、叶片精加工、轮毂半精加工、轮毂精加工、叶片根部半精加工、叶片根部精加工，优选地，所述的粗加工采用定轴加工策略实现；所述的半精加工和精加工采用多轴联动加工策略实现。

所述的刀具路径设计，采用但不限于cam软件实现。

技术效果

与现有技术相比，本发明涉及到铣削参数选择与优化，强调走刀路径和五轴数控的整体加工方法的同时提出了完整的加工工艺。由于本发明对象为微型整体叶轮，其特殊尺寸使得加工过程中存在碰撞、过切、干涉等问题，本发明也对加工路径进行了进一步研究。本发明解决了微型整体叶轮加工难、加工效率低、加工精度低等问题，并且通过优化切削参数，显著提高了加工稳定性，适用于镍基高温合金等材料。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种微型整体叶轮加工工艺方法，具体步骤包括：

步骤一，利用cam软件进行刀具路径设计与计算并进行虚拟加工过程仿真，防止刀具路径规划中的不合理和错误所导致的碰撞、过切等造成工艺系统严重损坏的现象，再通过实验确定出合适的刀具倾角。

所述的虚拟加工过程仿真可有效的降低产品的制造成本，缩短产品制造周期，建立机械加工工艺系统仿真环境，对于整体叶轮等复杂结构数控加工具有极为重要的意义。

加工过程中，随刀具倾角的变化，刀具与工件表面将形成不同的接触区域，倾角过小时可能导致材料表面的滑移力和耕犁力变大；倾角过大可能会导致发生过切。同时，由于叶片表面为自由曲面，且其表面各点曲率不一致，在cam路径规划时难以通过理论计算给定刀具倾角，故需要通过实验确定出合适的刀具倾角。

本实施例中刀具倾角ψ对叶片表面加工质量存在显著影响。当ψ＝88°时，叶片加工表面发生明显过切现象；随ψ减小，加工表面过切减小；当ψ＝82°时，叶片表面上部分由于切削厚度过小，导致叶片表面粗糙度上升。故将ψ适当增大，通过铣削实验确定最终所选用的刀具倾角ψ＝84°。此时叶片加工表面没有过切或表面粗糙度升高的情况发生。

步骤二，铣削过程力热建模及加工参数优化，即先对微型整体叶轮进行力热建模再利用有限元软件优化加工参数，达到提升加工效率、提高加工精度、改善叶片表面切削力分布的目的，为叶片表面加工质量的提高提供了基础，具体包括：

2.1)建立力学模型，设铣刀总切削刃数为n，对于铣刀第j条切削刃上的任意斜角铣削微元用标记，其中：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≤ap，ap为轴向切深，该微元上的切向力径向力及轴向力分别为：其中：ktc、krc、kac依次为面积力系数，用来描述切削刃在切向、径向以及轴向的剪切作用，kte、kre、kae依次为切向、径向、轴向上的刃口力系数，面积力系数与刃口力系数统称为切削力系数。切削力系数与径向切宽ae、轴向切深ap、机床转速n、每齿进给量fz等切削参数以及刀具-工件材料的物理性质有关，可根据切削力试验得出，具体可以参考相应文献(如：袁人炜.难加工材料高速铣削机理及工艺[d].2001.)。为切屑微元的瞬时切屑厚度，其大小与该切削微元对应的相位角度相关：

一般地，对于特定的刀具材料副，通常设定面积力系数为常数，而刃口力系数则随切削刀具的磨损会发生些许变化。根据刀具转角，积分即可求得切削刃j上的瞬时铣削力，对各切削刃瞬时铣削力进行求和可得：其中：fx(θ)、fy(θ)、fz(θ)分别为在刀具转角为θ的情况下以工件为基准的三个方向上的力值。分别为第j个刀刃作用在以工件为基准的三个方向上的力值

2.2)对于数控基于切削温度模型切削参数优化问题，可忽略切削区域内部微观温度变化规律，将切削区域温度视为均匀分布，从而将切削温度t表示为切削参数的经验公式t＝ctv^aae^bfz^cap^d，并用于铣削过程中切削参数优化，其中：ct为切削温度系数，a、b、c、d为相应切削参数的指数，可参考金属切削手册或通过有限元模拟等方法得出。v为切削速度，ae为径向切宽，fz为进给量，ap为背吃刀量。

2.3)优化加工参数包括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以及以加工精度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精加工进行基于切削力、热约束的动态参数优化。对粗加工的优化，具体的，对切削过程施加三个约束条件：1)保持单位切削量为定值；2)限制进口进给速度fin与出口进给速度fout；3)限制需要优化的切削力的最大值，使加工过程切削力始终处于这一值之下。对精加工的优化，具体的，对切削过程施加三个约束条件：1)保持单位切削量为定值；2)限制进口进给速度fin与出口进给速度fout；3)规定切削力的上下限，使得加工过程中切削力始终处于这一范围。

对粗加工的优化可以提高加工效率；对精加工的优化可以提升加工叶片质量，同时使得叶片精加工过程中平均波动比下降，提高了加工稳定性。

步骤三，数控铣削加工，即通过五轴数控机床对微型整体叶轮进行加工，该加工过程包括：流道开槽粗加工、叶片半精加工、叶片精加工、轮毂半精加工、轮毂精加工、叶片根部半精加工、叶片根部精加工。在实际加工过程中，粗加工时应选取定轴加工策略进行加工，以保证加工效率；精加工时采用多轴联动加工策略，以保证加工质量。

与现有技术相比，本方法涉及到铣削参数选择与优化，强调走刀路径和五轴数控的整体加工方法的同时提出了完整的加工工艺。由于本方法对象为微型整体叶轮，其特殊尺寸使得加工过程中存在碰撞、过切、干涉等问题，本方法也对加工路径进行了进一步研究。本方法解决了微型整体叶轮加工难、加工效率低、加工精度低等问题，并且通过优化切削参数，显著提高了加工稳定性，适用于镍基高温合金等材料。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。