基于非均勻余量的整體葉輪加工工藝優(yōu)化策略*

吳 雁，呂博鑫，呂仕強(qiáng)，鄭 剛，張杰人

（1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418；2.中航工業(yè)貴州省永紅航空機(jī)械有限責(zé)任公司，貴陽 550009）

整體葉輪作為透平（Turbine）機(jī)械中動(dòng)力推進(jìn)器及環(huán)控系統(tǒng)的核心零部件，廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、船舶、軍事、尖端醫(yī)療設(shè)備及高精尖機(jī)械裝備領(lǐng)域，對(duì)機(jī)械性能的保障起著重要作用。提高復(fù)雜曲面整體葉輪制造精度有利于整體葉輪制造完成后的動(dòng)平衡試驗(yàn)、超轉(zhuǎn)試驗(yàn)及裝配產(chǎn)品后轉(zhuǎn)速的提升和設(shè)備的安全性，另外，較高的加工質(zhì)量對(duì)氣流損失與零件數(shù)量減少、質(zhì)量減輕極為有利，最終可保證較高的氣動(dòng)效率[1]。在結(jié)構(gòu)技術(shù)、材料技術(shù)及計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)等一批先進(jìn)制造技術(shù)的支持下，整體葉輪系零件的設(shè)計(jì)呈葉身扭曲彎度趨大、葉弦趨寬、葉身趨薄、前掠加大等特點(diǎn)。一些航空航天領(lǐng)域的葉片最薄處甚至≤0.5mm，葉片高度與厚度比值很大。對(duì)于這類擁有復(fù)雜曲面造型且在整個(gè)制造工藝過程中材料去除率達(dá)85%～95%的弱剛性零件而言，直徑180～400mm。葉片高度和葉冠與葉根最厚處平均厚度之比≥15的整體葉輪，技術(shù)文件要求其面輪廓精度≤±0.15mm，近乎苛刻。在制造過程中，切削力、夾持力、切削振動(dòng)、金屬纖維變形及殘余應(yīng)力的綜合影響下，葉輪葉片極易產(chǎn)生過切、欠切等制造缺陷，較薄的葉片前緣甚至?xí)鹑~片斷裂，導(dǎo)致葉輪報(bào)廢。目前，對(duì)于弱剛度零件銑削剛度的研究主要是進(jìn)行理論分析和數(shù)值仿真分析。西北工業(yè)大學(xué)的單晨偉[2]、劉維偉[3]等發(fā)明了一種基于非均勻余量增強(qiáng)薄壁葉片工藝剛度的工藝方法。通過大量分析葉片各點(diǎn)的變形量，從預(yù)留粗加工余量控制葉片工藝剛度的角度出發(fā)，有效控制薄壁葉片加工的變形，從而減小加工誤差, 解決了薄壁葉片數(shù)控銑削精加工過程中因?yàn)榱慵偠炔蛔愣鸬淖冃螁栴}。山東大學(xué)的宋戈博士[4]對(duì)鈦合金薄壁零件的讓刀變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究，提出并定義了薄壁零件銑削過程中刀具及工件接觸副的概念，概念中包括了根據(jù)刀具-工件的接觸線方程、接觸區(qū)域切削中心角范圍及切削層厚度建模等關(guān)鍵技術(shù)，該概念的提出有助于建立薄壁零件銑削層厚度的精確模型。李昊[5]和賈立偉[6]利用軟件對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在加工過程中的變形情況進(jìn)行了有限元模擬，并在程序中進(jìn)行了變形量補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工誤差的離線補(bǔ)償。南京航空航天大學(xué)的車現(xiàn)發(fā)[7]利用有限元分析軟件ABAQUS模擬三維銑削過程，總結(jié)了切削參數(shù)對(duì)切削力的影響。樂成明等[8]提出了一種鋁合金薄壁零件冷熱加工方案。董久虎等[9]基于鏡像對(duì)稱補(bǔ)償方法提出了一種重構(gòu)葉片模型補(bǔ)償加工，通過模擬加工驗(yàn)證重構(gòu)的葉片模型加工誤差為原葉片的1/8。王增強(qiáng)等[10]也對(duì)復(fù)雜薄壁零件數(shù)控加工變形誤差控制補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了研究。Habibi等[11]運(yùn)用力學(xué)模型對(duì)零件的幾何誤差和刀具在切削過程中的變形量進(jìn)行預(yù)測(cè)，運(yùn)用三次補(bǔ)償方法對(duì)刀具/幾何誤差進(jìn)行代碼修正。秦國華等[12]提出了一種優(yōu)先選擇夾緊力大小、作用點(diǎn)及作用順序的方法，并用有限元法分析了作用點(diǎn)和作用順序?qū)ぜ庸ぷ冃蔚挠绊?。錢麗麗等[13-14]對(duì)鈦合金聯(lián)動(dòng)環(huán)進(jìn)行了研究，將內(nèi)孔銑削變形預(yù)測(cè)、切斷加工變形預(yù)測(cè)、刀具變形預(yù)測(cè)和殘余應(yīng)力場(chǎng)分析等功能集成到有限元仿真平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了典型鈦合金薄壁聯(lián)動(dòng)環(huán)的快速仿真分析。目前葉輪專業(yè)制造廠商主要通過刀具選型、夾具選用等方式提高葉輪制造過程中的系統(tǒng)剛性[15]，但通過利用整體葉輪制造過程中自身的變剛性來優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)工藝提高其制造精度的研究還很缺乏。

本文通過對(duì)超薄葉片結(jié)構(gòu)施加力載荷對(duì)變形規(guī)律進(jìn)行分析，提出在葉片高度方向及橫截面方向上非均勻余量的預(yù)留設(shè)計(jì)，提高超薄葉片弱剛性結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度，優(yōu)化工藝參數(shù)，有效減小葉片的銑削振動(dòng)，提高整體葉輪的制造精度。選用生產(chǎn)實(shí)際中的某型航空環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)置復(fù)雜曲面超薄葉片整體葉輪零件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，較好地還原其設(shè)計(jì)理念，滿足技術(shù)文件的要求。

1 葉片變形有限元分析

1.1 材料本構(gòu)方程

整體葉輪零件在五軸聯(lián)動(dòng)制造過程中，葉片的弱剛性結(jié)構(gòu)易發(fā)生較大變形，在對(duì)整體葉輪零件進(jìn)行模擬時(shí)，零件的本構(gòu)模型會(huì)對(duì)其產(chǎn)生重大影響。本文使用Johnson-Cook本構(gòu)方程[16]進(jìn)行分析，其方程如下：

1.2 葉片變形有限元模擬

定義一個(gè)高×寬為60mm×45mm的薄板進(jìn)行近似的靜力學(xué)變形趨勢(shì)分析，板的頂端厚度為0.8mm,根部厚度1.8mm。將其命名為YP_1，材料定義為與基體材料相同的Aluminum_6061。以薄壁板模型YP_1的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，另定義一個(gè)薄壁板件YP_2，其材料及尺寸大小均與YP_1相當(dāng)。將薄壁板模型YP_2高度的20%和50%處定義為分界線。其中0～20%線處雙側(cè)加厚0mm，20%～50%內(nèi)雙側(cè)加厚0.2mm，50%以下雙側(cè)加厚0.5mm。采用NX NASTRAN在圖1所示A處施加力載荷，分別對(duì)YP_1和YP_2進(jìn)行集中力載荷作用下變形的仿真分析。

NX進(jìn)入高級(jí)仿真模塊，輸入6061鋁合金材料的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行材料指派，在圖1所示處施加固定約束，并輸入合適的參數(shù)對(duì)葉片進(jìn)行3D四面體網(wǎng)格劃分，在A點(diǎn)處施加值為5N且方向向下的集中力載荷，得到Y(jié)P_1和YP_2兩種不同結(jié)構(gòu)下有限元分析的應(yīng)力和位移圖，如圖2所示。將集中力載荷的數(shù)值由5N逐次提升至35N，得到如表2所示的葉片最大位移及最大應(yīng)力。

2 葉片變形分析

通過以上對(duì)比分析能夠看出，超薄葉片的兩類結(jié)構(gòu)在受到相同大小集中力載荷的作用的情況之下，在葉片高度方向上分為3級(jí)且在葉片橫截面方向上逐級(jí)加厚的薄壁結(jié)構(gòu)板，其最大位移量比YP-1結(jié)構(gòu)薄壁件減小約73.4%，最大應(yīng)力減小約57.1%。由此可見，薄壁件逐級(jí)非均勻加厚的特殊結(jié)構(gòu)能夠起到非常明顯的抗彎作用。

表1 6061航空鋁合金材料部分性能參數(shù)

圖1 薄壁件在A點(diǎn)處施加載荷Fig.1 Loading on point A of thin-walled workpiece

圖2 兩種不同結(jié)構(gòu)有限元分析的應(yīng)力和位移圖Fig.2 Diagram of the stress and displacement of two different structures

表2 兩種不同結(jié)構(gòu)最大位移及最大應(yīng)力結(jié)果

傳統(tǒng)的整體葉輪五軸聯(lián)動(dòng)編程制造，依靠市面上現(xiàn)行的CAX軟件進(jìn)行葉輪零件的刀具軌跡規(guī)劃時(shí)，對(duì)葉輪葉片或流道的粗/精加工余量都為均勻預(yù)留，但在進(jìn)行整體葉輪超薄葉片的制造時(shí)，由于其葉片厚度較薄且較高，葉片的高度與最厚處的平均厚度之比較大，在切削力、夾持力、切削熱及金屬纖維斷裂的綜合影響之下，均勻余量工藝法容易引起較大的變形和葉片切削振動(dòng)，導(dǎo)致葉片在加工時(shí)尺寸超差甚至報(bào)廢。

3 非均勻余量銑削工藝設(shè)計(jì)

3.1 一種非均勻余量銑削工藝設(shè)計(jì)

軸流式整體葉輪輪轂與葉根以恒圓角或變圓角進(jìn)行過渡，葉冠一端懸空，從結(jié)構(gòu)上類似于懸臂板結(jié)構(gòu)[2]。由以上分析可知，通過對(duì)薄壁葉片進(jìn)行橫截面加厚，另外將薄壁葉片在高度上進(jìn)行層劃分，每層進(jìn)行非均勻余量預(yù)留，改變傳統(tǒng)整體葉輪葉片的五坐標(biāo)加工工藝，可有效減小葉片在制造過程中的銑削振動(dòng)及葉片變形。余量預(yù)留如圖3所示。

圖3 非均勻余量預(yù)留方案Fig.3 Scheme of non-uniform stock

設(shè)葉片曲面的參數(shù)方程表示為S（u，v），葉片的橫截面線方向?yàn)閡向，葉片高度方向?yàn)関向。

（1）對(duì)葉片進(jìn)行v方向分層。設(shè)葉片高度為H。將葉片由葉冠向葉根分為等長的10段，設(shè)Cx為葉片第x層所占葉片總高度的百分比，Lx為分段后葉片第x層的長度。第1層為葉冠朝向葉根的前兩段，即L1=C1H=20%H，依此類推，第2層占葉片中的3段，即L2=C2H=30%H，則L3= 50%H。

（2）對(duì)葉片進(jìn)行u方向的余量設(shè)置。設(shè)Δx為葉片在第x層其在橫截面u方向上加厚的值，則：

式中：ε為葉片高度與葉冠和葉根最厚處平均厚度的比值；為葉冠與葉根最厚處的平均厚度；H是葉片的總高度；Δ0=0 。

表3 刀具配置及整體葉輪加工工藝參數(shù)表

當(dāng)葉片的預(yù)留余量（即葉片u方向的加厚值）為Δx≤0.4mm時(shí)，走刀次數(shù)設(shè)置為1次即可；當(dāng)Δx＞0.4mm時(shí)，根據(jù)不同的刀具，走刀次數(shù)可作適當(dāng)增加，以保證超薄葉片的表面質(zhì)量達(dá)到技術(shù)文件要求。

3.2 基于NX的非均勻余量刀具軌跡規(guī)劃

使用NX_CAM模塊中的mill_multi_blade進(jìn)行非均勻余量的五坐標(biāo)刀具軌跡規(guī)劃。選用剛性較好的硬質(zhì)合金無涂層錐度球頭立銑刀，采用大切深大進(jìn)給量進(jìn)行余量去除，指定合理的“Specify hub”、“Shroud”、“Blade”、“Blade blend”和“Splitters”等部件后調(diào)整合適的“Radial extension”、“Tool axis”、“Cutting parameters”、“Non cutting moves”等相關(guān)參數(shù)，分3層進(jìn)行軸流式整體葉輪流道的粗加工并分別預(yù)留不同的加工余量。精加工刀具軌跡規(guī)劃時(shí)為滿足技術(shù)文件中葉片曲面精加工的特殊技術(shù)要求，“Max angle change”、“Cut max step”、“Intol/ Outtol tolerance”等參數(shù)可選擇小一些，提高“Path smoothing”和“Axis smoothing”的數(shù)值設(shè)置，合理設(shè)置“Tilt clearance angle”、“Leading to trailing edge”等控制刀軸擺角的參數(shù)。在葉片曲面精加工程序編制中，為提高葉輪零件葉片曲面的銑削加工精度，保證加工質(zhì)量，可以靠切削步數(shù)來控制。

4 實(shí)例驗(yàn)證

本文基于生產(chǎn)實(shí)際所加工的某型航空環(huán)控系統(tǒng)復(fù)雜曲面整體葉輪零件，其直徑約φ239.8mm，葉片高度45.3mm，葉片最厚處為2.35mm，最薄處僅0.22mm，葉片的高度和葉冠與葉根最厚處平均厚度之比為24.16。使用上述工藝技術(shù)方法，采用表3中所示刀具配置及整體葉輪加工工藝參數(shù)，依據(jù)表4中優(yōu)化的加工余量及走刀次數(shù)進(jìn)行整體葉輪零件的加工。

基于NX_CAM模塊進(jìn)行刀具軌跡規(guī)劃，葉片粗/精加工刀具軌跡規(guī)劃如圖4所示。

將所規(guī)劃的刀具軌跡進(jìn)行處理后，在FIDIA HS664RT高速五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上進(jìn)行切削試驗(yàn)，部分程序代碼截圖及加工過程如圖5所示。

使用上述非均勻余量加工工藝進(jìn)行實(shí)際加工，經(jīng)3D掃描檢測(cè)后使用Geomagic軟件重建整體葉輪模型，將其與NX中用于刀具軌跡規(guī)劃的模型進(jìn)行重合度對(duì)比，獲得面輪廓度檢測(cè)數(shù)據(jù)。計(jì)算得到其最大誤差比未優(yōu)化前的最大誤差減小40%以上，取得了非常明顯的效果，從而證明了該整體葉輪數(shù)控加工方案的可行性。表5所示為葉片正反面部分采樣點(diǎn)偏差， 表6為工藝工藝最大誤差及平均誤差對(duì)比。

表4 葉輪余量預(yù)留及走刀次數(shù)方案

圖4 葉輪葉片粗/精加工刀具軌跡規(guī)劃圖Fig.4 Tool path planning scheme of rough machining and finishing machining of impeller blade

圖5 程序代碼截圖及加工過程Fig.5 Program code and machining process

表5 葉片部分檢測(cè)數(shù)據(jù)

表6 優(yōu)化前后工藝最大誤差及平均誤差對(duì)比

5 結(jié)論

（1）本文對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)葉片和分層加厚優(yōu)化后的薄壁葉片分別進(jìn)行了有限元分析，得到了兩種結(jié)構(gòu)在載荷力作用下薄壁葉片的變形規(guī)律；

（2）采用在高度上進(jìn)行不均勻分層配合在葉片橫截面方向上非均勻余量預(yù)留的設(shè)計(jì)對(duì)整體葉輪的五軸制造工藝進(jìn)行了優(yōu)化；

（3）以實(shí)際生產(chǎn)中的超薄葉片整體葉輪為例，用優(yōu)化后的工藝進(jìn)行粗/精加工刀具軌跡規(guī)劃后生成數(shù)控程序并進(jìn)行實(shí)際加工。對(duì)比優(yōu)化前的零件制造結(jié)果，平均誤差優(yōu)化率達(dá)到52.57%，顯示該工藝的優(yōu)化策略能有效提高葉片的剛度，減小超薄葉片的加工誤差和銑削變形，滿足技術(shù)文件要求。

（4）該工藝優(yōu)化策略對(duì)類似高度與平均厚度比值較大且葉片扭轉(zhuǎn)曲率較大的復(fù)雜零件的實(shí)際加工有一定的指導(dǎo)意義。

[1]趙鵬飛.閉式葉輪數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.ZHAO Pengfei. Research on key technologies of the CNC machining for closed impeller[D].Harbin: Harbin Institute of Technology，2013.

[2]單晨偉，趙穎，劉維偉，等.一種薄壁懸臂葉片數(shù)控加工非均勻余量剛度補(bǔ)償方法[J]. 航空學(xué)報(bào)， 2013, 34(3): 686-693.SHAN Chenwei, ZHAO Ying, LIU Weiwei, et al. A nonuniform offset surface rigidity compensation strategy in numerical controlled machining of thin-walled cantilever blades[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2013, 34(3): 686-693.

[3]劉維偉，單晨偉，李曉燕，等.一種基于非均勻余量的增強(qiáng)薄壁葉片工藝剛度的方: 201310021412.9[P]. 2013-01-21.LIU Weiwei, SHAN Chenwei, LI Xiaoyan, et al. A method of technology optimization strategy to enhance the rigidity of ultrathin blade based on nonuniform machining allowance: 201310021412.9[P]. 2013-01-21

[4]宋戈.基于切削力精確建模的鈦合金薄壁件讓刀變形預(yù)測(cè)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.SONG Ge. Prediction of the deformation of the titanium alloy thinwalled parts based on the accurate modeling of cutting force[D]. Jinan:Shandong University，2012.

[5]李昊.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片銑削過程變形控制研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2011.LI Hao. Aero-engine blade deformation control of milling process[D].Lanzhou: Lanzhou University of Technology，2011.

[6]賈立偉.航空葉片數(shù)控加工變形分析與控制方法研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2014.JIA Liwei. Aviation blade NC machining deformation analysis and control method[D]. Xi’an: Xi’an Technological University，2014.

[7]車現(xiàn)發(fā).高強(qiáng)度鋁合金航空薄壁件銑削加工變形控制的工藝研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.CHE Xianfa. Research on deformation control of high strength aluminum alloy thin-walled parts [D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2011.

[8]樂成明，宋廣華，李真楷，等.冷熱加工技術(shù)在鋁合金薄壁零件中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2004 (11): 84-86.LE Chengming, SONG Guanghua, LI Zhenkai, et al. Application of metal cutting and hot working in aluminum alloy thin-wall components[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2004 (11): 84-86.

[9]董久虎，諶永祥，李雙躍，等. 薄壁葉片加工變形誤差補(bǔ)償[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013, 29(4)：81-85.DONG Jiuhu, CHEN Yongxiang, LI Shuangyue, et al. The error compensation for machining deformation of the thin blade[J]. Machine Design and Research, 2013, 29(4): 81-85.

[10]王增強(qiáng)，孟曉嫻，任軍學(xué)，等.復(fù)雜薄壁零件數(shù)控加工變形誤差控制補(bǔ)償技術(shù)研究[J].機(jī)床與液壓, 2006 (4): 61-63.WANG Zhengqiang, MENG Xiaoxian, REN Junxue, et al. A scheme for the compensation of deformation error in NC machining of thin-walled complex parts[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2006 (4): 61-63.

[11]HABIBI M, AREZOO B, VAHEBI N M. Tool deflection and geometrical error compensation by tool path modification[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2011, 51(6): 439-449.

[12]秦國華，吳竹溪，張衛(wèi)紅.薄壁件的裝夾變形機(jī)理分析與控制技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007, 43(4): 211-216.QIN Guohua, WU Zhuxi, ZHANG Weihong. Analysis and control technique of fixturing deformation mechanism of thin-walled workpiece[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007,43(4): 211-216.

[13]錢麗麗.鈦合金薄壁件加工工藝分析與變形預(yù)測(cè)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2013.QIAN Lili. Deformation prediction and process analysis for titanium alloy thin-walleded workpiece[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2013.

[14]QIAN L L, CHEN W F, MA W T. Cutting parameters optimization of thin-walled workpiece based on PSO and FEM[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 248: 408-412.

[15]鄧宇鋒.透平葉片變切削力加工參數(shù)研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015(2)：135-137.DENG Yufeng. Research on parameters of the alterable cutting forces in machining turbine blade[J]. Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique, 2015(2): 135-137.

[16]李建光，施琪，曹結(jié)東. Johnson-Cook本構(gòu)方程的參數(shù)標(biāo)定[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2012,38(2):164-167.LI Jianguang, SHI Qi, CAO Jiedong. Parameters calibration for Johnson-Cook constitutive equation[J]. Journa of Lanzhou University of Technology, 2012, 38(2):164-167

[17]劉再德，王冠，馮銀成，等.6061鋁合金高應(yīng)變速率本構(gòu)參數(shù)研究[J].礦冶工程, 2011,31(6):120-123.LIU Zaide, WANG Guan, FENG Yincheng, et al. High-strainrate constitutive parameters of 6061 aluminum alloys[J]. Miningand Metallurgical Engineering, 2011, 31(6):120-123.