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數(shù)控機床

航空發(fā)動機鈦合金焊接式整體葉盤數(shù)控銑削工藝及編程技術(shù)

星之球激光 來源:佳工機電網(wǎng)2012-02-02 我要評論(0 )   

新型航空發(fā)動機設(shè)計中普遍采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。美國的先進戰(zhàn)斗機(ATF)計劃把整體葉盤設(shè)計制造列為核心技術(shù),例如F414發(fā)動機采用了共5級的整體葉盤。根據(jù)美國國防部的高性...

新型航空發(fā)動機設(shè)計中普遍采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。美國的先進戰(zhàn)斗機(ATF)計劃把整體葉盤設(shè)計制造列為核心技術(shù),例如F414發(fā)動機采用了共5級的整體葉盤。根據(jù)美國國防部的高性能渦輪發(fā)動機技術(shù)(IHPTET)的第3階段計劃,到2020年,戰(zhàn)斗機上安裝的發(fā)動機渦輪都將采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。

我國在新型發(fā)動機的設(shè)計中也采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)。整體葉盤的剛性好,平衡精度高。它提高了結(jié)構(gòu)的氣動效率,省去了連接用的榫頭和榫槽,避免了榫槽損傷等潛在的故障,從而使整臺發(fā)動機推重比得到顯著提高。

整體葉盤的毛坯從結(jié)構(gòu)上分為整體式和焊接式2類:

(1)整體式毛坯一般采用鍛壓技術(shù),鍛造出一整塊毛坯;

(2)焊接式毛坯把采用不同性能材料的盤體和葉片焊為一個整體,或者把空心葉片焊在盤體上,以實現(xiàn)更特殊的性能。

國內(nèi)外整體葉盤制造采用的主要工藝有:精密鑄造、數(shù)控銑削、電解加工、電火花加工等。這些工藝各有其優(yōu)缺點,而數(shù)控銑削加工靈活快速、可靠性高,因此發(fā)達國家多采用五坐標(biāo)數(shù)控銑削加工整體葉盤。整體葉盤毛坯一般采用高強度難加工材料,不允許有裂紋和缺陷,葉片薄、扭曲度大、葉展長、受力易變形,而且由于葉片間的通道深而窄、開敞性很差,材料切除率很高,嚴(yán)重影響了數(shù)控銑削的可加工性。

數(shù)控銑削加工技術(shù)包括高精度五坐標(biāo)機床技術(shù)、工藝技術(shù)、五軸聯(lián)動編程技術(shù)、刀具技術(shù)等,它代表了相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的最新技術(shù)和最高水平,是新型高推重比發(fā)動機制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。

鈦合金整體葉盤加工工藝分析

鈦合金整體葉盤的盤體和葉片材料通常采用(α+β)雙相熱強鈦合金,具有良好的高溫強度、耐腐蝕性、斷裂韌性、熱穩(wěn)定性和蠕變性能,能夠滿足損傷容限設(shè)計和高結(jié)構(gòu)效益及低制造成本等要求。

某鈦合金整體葉盤毛坯采用焊接結(jié)構(gòu),盤體粗加工和葉片毛坯采用線性摩擦焊方式成為一個整體葉盤毛坯。葉片為變截面扭曲結(jié)構(gòu),彎扭度大、葉展長、葉片外緣薄、進氣邊緣和排氣邊緣厚度更?。ú蛔?.5mm)。葉盤盤體外型面為圓錐面,葉片外輪廓也是一個倒圓錐面(如圖1所示)。

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焊接整體葉盤數(shù)控加工關(guān)鍵就是葉片的數(shù)控銑削,必須突破下面幾個重大的技術(shù)難題:

(1)葉片之間的通道窄而深,扭曲角度很大,刀具的可達性受到限制,必須采用五坐標(biāo)方式并嚴(yán)格控制刀具的軸向軌跡;

(2)葉片為變截面扭曲結(jié)構(gòu),葉展長、葉片薄,造成葉片遠端剛性極差,葉片厚度公差不足±0.1mm,較小的刀具切削力就會使葉片外緣產(chǎn)生較大彈性變形,從而使葉片厚度公差難以保證;

(3)鈦合金優(yōu)異的彈性性能使得精加工振顫加劇,必須采取有效的減振措施,避免振動對葉型表面完整性、粗糙度、厚度公差及焊縫造成不利影響;

(4)鈦合金屬難切削材料,切削加工本身就是個難題,葉片根部與盤體轉(zhuǎn)接半徑僅為R3(3mm),只能采用小直徑刀具清根,讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重;

(5)盤體的外形為錐面,葉片外廓也是一個錐面,加工困難;

(6)葉片的型面不但扭曲角度大,進、排氣邊緣厚度為0.3mm,而且排氣邊緣有形狀要求,刀具端刃切削時易崩刃;

(7)焊接后葉片是一塊長方塊形毛坯,余量分布極不均勻,此外還有摩擦焊擠出的飛邊,又高又細,銑削十分困難。

總之,該整體葉盤五坐標(biāo)數(shù)控銑削加工的關(guān)鍵技術(shù)包括葉盤通道與刀軸矢量的控制、刀具軌跡設(shè)計及光順處理、通道的高效粗加工技術(shù)、葉片型面的精確加工技術(shù)、加工變形控制和葉片與刀具減振技術(shù)等。數(shù)控加工工藝設(shè)計及數(shù)控編程必須考慮到以上問題,采取有效的工藝措施才能保證設(shè)計要求。

整體葉盤數(shù)控加工工藝設(shè)計

1選擇合適的機床

對整體葉盤進行數(shù)控銑削最理想的機床應(yīng)該是帶轉(zhuǎn)臺和主軸、能夠擺角的五坐標(biāo)臥式加工中心,并且主軸的擺角范圍要足夠大,能夠?qū)崿F(xiàn)立臥轉(zhuǎn)換。

由于受設(shè)備、任務(wù)調(diào)度限制,該葉盤的加工采用了雙擺頭立式五坐標(biāo)龍門銑,AB擺角范圍為A±30°、B±30°。該設(shè)備的缺點在于沒有轉(zhuǎn)臺,不能分度,AB擺角范圍有限。因此必須針對每個葉片都有一套數(shù)控程序,程序量比帶轉(zhuǎn)臺的機床多出了30多倍。

通過采取上述手段,此類機床能勝任該整體葉盤的數(shù)控加工。另外由于該葉盤上葉片的厚度為50mm,葉展為90mm,采取立式加工方式可使用更短的刀具,因此宜采用立式加工。

2 設(shè)計專用工裝

整體葉盤的工裝設(shè)計應(yīng)能夠滿足角向定位和分度的要求,滿足翻面定位夾緊的要求,并能夠滿足機床擺角后的行程。圖2為粗加工時的狀態(tài)及工裝使用的情景。

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3 數(shù)控銑削加工工藝過程

焊接后的整體葉盤數(shù)控加工面臨的困難是切除摩擦焊產(chǎn)生的焊接飛邊,由于此飛邊又細又高又硬,銑削時很容易崩刃,摩擦焊擠出的飛邊容易從根部折斷而將整體葉盤上的材料帶走,銑削效率極低。因此采用線切割或其他方式比銑削方式可能更合適。

整體葉盤外輪廓也是一個倒圓錐面,必須在葉片較厚剛性較好的情況下加工,所以外輪廓必須在粗加工前先加工,采用Z向分層方式加工。

整體葉盤粗加工的目的就是要快速去除大余量。粗加工主軸擺角一方面要能夠切到整個葉片表面,另一方面也要考慮盤體的錐度形成。采用直徑20~30mm左右的短刀具最為適宜。厚度方向分層切削,粗加工留2mm余量,接著進行半精加工,留0.3mm余量,采用底角帶R的刀具,分層也可以再細些。

進、排氣邊緣厚度僅為0.3mm,必須在葉片有一定剛性但余量又不太大的情況下加工,所以應(yīng)安排在精加工前進行。采用較小直徑刀具,刀具軌跡垂直于葉片邊緣進行行切,行距1mm,加工出的邊緣曲線效果良好。

由于葉片的扭曲造成葉片兩面分為凹面和凸面,考慮到機床的擺角范圍,所以要安排雙面加工。

4 選擇合適的刀具

粗加工刀具首先要控制刀長,采用較短的刀具和直徑較大的刀具,采用側(cè)銑方式,切削效率和減振效果會明顯提高。精加工葉片型面應(yīng)選用底角R較大的刀具或球頭刀具,配合較小的行距,切出的曲面會很光順。

由于葉片根部為R3,用φ6的刀具剛性太差,無法加工,所以首先選用φ12R3刀具去除余量,然后用φ16×24°R3的專用錐度刀清根。特制的錐度刀不但保證了刀桿的剛性,而且又能實現(xiàn)R3的清根,刀具單側(cè)12°的錐度,外加盤體17°的錐度,主軸需要擺角29°,剛好在其30°擺角范圍之內(nèi)可以銑到錐形盤體。所以,應(yīng)適當(dāng)定做專用刀具,可有效解決加工過程中出現(xiàn)的一些問題。

5 采取有效的減振與變形控制措施

精加工另一面時,葉片的剛性已經(jīng)較差,切削力作用在葉展的端頭,極易產(chǎn)生彈性變形并同時伴隨著振顫,所以此面的加工重點是控制變形與振顫。葉片變形可直接導(dǎo)致厚度尺寸超差;而加工振顫可導(dǎo)致葉片表面產(chǎn)生振紋(見圖3),并且容易使刀具崩刃,嚴(yán)重影響葉片表面質(zhì)量。#p#分頁標(biāo)題#e#

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采取在葉片通道間灌注建筑用膠的方法,改變了零件的阻尼特性,確實有效降低了振顫,并且使刀具轉(zhuǎn)速達到了1000r/min,進給達到100mm/min。在此基礎(chǔ)上又改用其他稍硬的物質(zhì)填充在葉盤通道里(見圖4),既能明顯減少振顫,又能在葉片背面形成有力的支撐,抵消切削力造成的葉片彈性變形,確保了葉片的厚度。

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此外,順銑方式能明顯減少加工振顫。雙面加工、減少刀具長度能有效減少刀具振顫。進、排氣邊緣很薄,安排在葉片有一定剛性的精加工前進行加工,能減少變形與振顫。選擇合理的切削參數(shù),調(diào)整轉(zhuǎn)速和進給速度,可有效控制振動。

整體葉盤數(shù)控加工程序編制時首先要考慮的是控制刀軸方向,因為通道太窄,葉片扭曲,盤體是錐形等因素,導(dǎo)致刀軸控制稍有差錯就會出現(xiàn)干涉,此外退刀、空刀快速移動一定要控制幅度。粗加工可以采用定擺角等高線行切,或五坐標(biāo)側(cè)刃銑削,所有刀具軌跡應(yīng)實現(xiàn)順銑。精加工刀位軌跡設(shè)計要流暢、光順,行距要小,才能保證行切出的曲面光順。清根程序要留少許余量,避免刮傷葉片型面。

結(jié)束語

本課題分析了鈦合金焊接式整體葉盤的結(jié)構(gòu)特點和工藝難點,針對焊接式整體葉盤的結(jié)構(gòu)特點,摸索出了一整套工藝方案來解決振動和變形,成功地應(yīng)用于某鈦合金焊接式整體葉盤的加工,為此類葉盤的加工工藝進行了探索

 

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