渦輪葉片切削參數(shù)研究與仿真

馬嘉恒，孫強(qiáng)，趙童，馬連春

(1.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116028；2.山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東德州 253034；3.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部智能機(jī)械研究院，北京 100124；4.石家莊巨力科技股份有限公司，河北石家莊052161)

0 前言

隨著航空行業(yè)的不斷發(fā)展，航空市場(chǎng)對(duì)渦輪葉片的需求逐漸朝著品種多、生產(chǎn)切換頻繁的趨勢(shì)發(fā)展。而渦輪葉片型面精度又對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命與效率具有重要影響[1]。因此對(duì)葉片加工參數(shù)的選擇提出了更高的要求。目前對(duì)渦輪葉片加工參數(shù)的選擇多依靠加工經(jīng)驗(yàn)而確定，未有依據(jù)的參數(shù)選擇將對(duì)加工過程的可靠性與安全性產(chǎn)生很大挑戰(zhàn)。為此對(duì)渦輪葉片的加工參數(shù)進(jìn)行研究，對(duì)選擇更優(yōu)加工參數(shù)及提升加工精度具有重要意義。

黃濤等人[2]針對(duì)薄壁葉片加工變形問題，以變形為目標(biāo)，為渦輪葉片規(guī)劃了合適的加工工藝，得出了相應(yīng)的加工參數(shù)。李許慶等[3]以渦輪葉片為研究對(duì)象，將智能優(yōu)化算法與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，對(duì)葉片加工參數(shù)進(jìn)行了研究，得出了優(yōu)選的粗銑加工參數(shù)。汪超臺(tái)等[4]在對(duì)分流葉片進(jìn)行參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上，依據(jù)切削用量經(jīng)驗(yàn)公式得出了相應(yīng)的加工參數(shù)，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證。鄧宇鋒[5]針對(duì)透平葉輪結(jié)構(gòu)葉片，在其切削力與工件變形之間建立相應(yīng)映射關(guān)系，得出了不同位置切削力的大小，實(shí)現(xiàn)了變切削力加工，得出了相應(yīng)加工參數(shù)，獲得了較高加工精度。王子愷等[6]使用切削力頻譜分析的方法對(duì)高壓動(dòng)葉片切削參數(shù)的優(yōu)化進(jìn)行研究，得出了切削穩(wěn)定性較好的部分切削參數(shù)。

上述研究主要集中在其他類型葉片某一工序加工參數(shù)的研究，然而針對(duì)渦輪葉片整個(gè)加工工藝參數(shù)及其對(duì)葉片質(zhì)量的系統(tǒng)研究較少，影響了渦輪葉片制造精度的提升。

本文作者以某渦輪葉片為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種五軸加工工藝。在此之上，以加工效率最高為優(yōu)化目標(biāo)，加工變形最小為邊界條件，對(duì)銑削力進(jìn)行解析建模，驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確性，使其作為變形求解邊界條件，求解最優(yōu)切削用量。利用數(shù)控編程技術(shù)及虛擬仿真技術(shù)對(duì)渦輪葉片進(jìn)行軌跡仿真，并對(duì)比側(cè)銑、點(diǎn)銑加工效果，選取最優(yōu)加工方式及相應(yīng)加工參數(shù)。最后通過葉片試驗(yàn)對(duì)加工精度進(jìn)行驗(yàn)證。為確定渦輪葉片加工參數(shù)奠定基礎(chǔ)。文中總體思路如圖1所示。

圖1 總體思路

1 適用工藝分析

由圖2(a)所示渦輪葉片工程圖可知，工件尺寸不大但存在空間復(fù)雜曲面，屬典型的難加工結(jié)構(gòu)，因此在圖2(b)所示雙轉(zhuǎn)臺(tái)(X、Y、Z、B、C五自由度)加工中心的基礎(chǔ)上對(duì)工件進(jìn)行工藝分析及加工。

由圖2(a)可知對(duì)零件曲面位置加工要求較高，在設(shè)計(jì)加工工藝時(shí)，要優(yōu)先考慮一次裝夾、先粗后精等原則，降低因多次裝夾與基準(zhǔn)不重合而導(dǎo)致的誤差。在使用三軸銑削去除大量余料后，采用多軸聯(lián)動(dòng)的工藝對(duì)葉片進(jìn)行精加工。編制渦輪葉片整體加工工藝如表1所示。

圖2 渦輪葉片設(shè)計(jì)圖及加工設(shè)備

表1 渦輪葉片整體加工工藝

2 五軸加工參數(shù)優(yōu)化

2.1 加工參數(shù)模型

切削參數(shù)以復(fù)雜、多變的差異性約束條件作為選定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)加工效率有較大影響。切削速度、進(jìn)給量與切削深度為切削三要素，以精銑(側(cè)銑)葉片曲面為例，表示切削用量的計(jì)算公式[7]為

(1)

式中：Z為刀齒數(shù)量；fz為每齒進(jìn)給量。

確定刀具直徑4 mm后，綜合式(1)及參考樣本獲得切削參數(shù)為：ap<2D；n=24 000 r/min；fz=0.017 mm；vc=301.6 m/min；f=1 200 mm/min；ae(切削寬度)=0.05 mm。

為選擇更優(yōu)加工參數(shù)，以加工效率為優(yōu)化目標(biāo)，以ap為設(shè)計(jì)變量，建立切削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以刀具所受切削力與工件形變?yōu)榧s束條件，最終完成加工參數(shù)的選取。航空鋁銑削力經(jīng)驗(yàn)公式[8]為

(2)

式中：k為相關(guān)修正系數(shù)，取0.67。

圖3 銑削力變化趨勢(shì)

如圖3所示，各向銑削力隨著切削深度增加而增大。垂直于進(jìn)給平面的力Fy最大，進(jìn)給抗力Fx次之，垂直于刀具底面的軸向力Fz最小。隨著切削深度的增大，銑削力的增大速率均有所降低；Fx、Fz增大速率顯著降低，F(xiàn)y增大速率降低不明顯。

為探究經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木?，借助解析分析的方法?duì)平頭立銑刀加工時(shí)產(chǎn)生切削力的來源進(jìn)行分析。

BUDAK等[9-11]提出可將某個(gè)切削刃上某個(gè)切削微元的三向切削力解析表達(dá)為

(3)

圖4 銑刀受力

式中：Kte、Kre、Kae、Ktc、Krc、Kac分別為各向系數(shù)[12]；dz為切削微元dφ在刀具軸線高度方向的長(zhǎng)度。瞬時(shí)切削深度apj=fzsinα，α(z)為切削刃微元齒位角。銑刀切削受力如圖4所示。

3.1 肝穿刺病理檢查是明確診斷、衡量肝臟炎癥和纖維化程度的金標(biāo)準(zhǔn)，為合理治療提供依據(jù) 肝臟有很強(qiáng)的再生能力，當(dāng)肝臟有輕微的炎癥活動(dòng)時(shí)，可以不表現(xiàn)出任何的臨床癥狀，這就造成了一些臨床表現(xiàn)與肝臟病理改變并不一致的病例，對(duì)于這樣一些乙型肝炎病毒感染者無任何癥狀，肝功能檢查ALT正?；蜉p度升高，通常的處理原則是定期隨訪而不考慮抗病毒治療，但這些病例其實(shí)肝組織存在病變，就有可能本該抗病毒治療而不堅(jiān)持抗病毒治療而貽誤最佳治療時(shí)機(jī)。有文獻(xiàn)報(bào)道，肝功能正常的乙型肝炎患者肝穿刺活檢術(shù)肝組織病理學(xué)檢查，約50%患者有不同程度炎癥，有的甚至有早期肝硬化［1］。早期明確診斷，使患者能及時(shí)獲得最佳治療時(shí)機(jī)。

微元切削力在以刀具底部中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)的坐標(biāo)系上各向分量可表達(dá)為

(4)

分析圖4可知，葉片曲面?zhèn)茹姇r(shí)為肩銑方式加工，第i個(gè)刀齒與i-1、i+1刀齒對(duì)工件的切削過程均可分為切入、穩(wěn)定、切出、空切4個(gè)階段。

對(duì)式 (4)求積分可得第i刃各向切削力，疊加i刃、i-1刃、i+1刃的力即可獲得銑削合力模型。公式可表示為

(5)

式中：z0、z1為某一時(shí)間段內(nèi)有效切削微元在刀具軸向的高度。

結(jié)合工件實(shí)際切深參數(shù)，確定切深積分z0、z1值，不同切削深度切削力變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 銑刀受力規(guī)律

分析圖5可知：一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，瞬時(shí)切削深度隨刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變動(dòng)，進(jìn)給抗力、徑向力呈現(xiàn)出以零為起點(diǎn)并類似正弦曲線變化，且最終接近零的一種趨勢(shì)，最大峰值為4 N左右；軸向力成類似等腰梯形的變化規(guī)律且最終接近零，最大峰值為1 N左右。

為更加直觀驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，對(duì)解析模型平均切削力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示：各向平均銑削力與經(jīng)驗(yàn)公式的變化規(guī)律及幅值吻合良好；進(jìn)給、徑向及軸向最大誤差占經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?2%、20%及19%，主要原因是解析模型未加入熱對(duì)切削力的影響誤差?？傮w表明：該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢杂行?yīng)用于曲面銑削加工邊界條件的判定。

圖6 切削力數(shù)值分析

2.2 邊界條件驗(yàn)證

表2 切削用量及相應(yīng)銑削力

圖7所示為在工件剛性較弱位置(縱向最高區(qū))輸入各向切削力對(duì)工件變形的影響?？梢钥闯?在不同參數(shù)條件下，工件上部均產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。切深0.08、0.57、4 mm時(shí)，最大變形量分別為0.01、0.4、12 μm；因此，選擇組號(hào)3參數(shù)時(shí)，工件變形量在允許范圍內(nèi)，最終以加工效率最高為目標(biāo)，確定葉片銑削參數(shù)。加工渦輪葉片各工序參數(shù)如表3所示。

圖7 工件形變

表3 渦輪葉片加工參數(shù)

3 薄壁葉片五軸編程及仿真

3.1 數(shù)控編程

利用 “型腔銑”“固定軸銑削”“可變軸銑削”等編程命令對(duì)程序進(jìn)行編制。由于工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)葉片扭曲部位使用立銑刀側(cè)銑加工或球頭銑刀點(diǎn)銑加工2種方式進(jìn)行對(duì)比加工，如圖8所示。

圖8 銑削方式

側(cè)銑時(shí)，主要使用刀具側(cè)刃對(duì)待加工余量進(jìn)行加工，加工效率較高；使用點(diǎn)銑對(duì)待加工余量進(jìn)行加工時(shí)，主要使用刀具底刃對(duì)工件進(jìn)行加工。在后續(xù)仿真中將對(duì)2種加工方式進(jìn)行試驗(yàn)，觀察刀軌加工效果。

3.2 銑削仿真與分析

為驗(yàn)證該數(shù)控程序可行性，據(jù)圖8所編程序進(jìn)行切削仿真。利用刀軌可視化技術(shù)對(duì)殘留余量進(jìn)行色差分析，結(jié)果如圖9所示。

根據(jù)仿真過程及圖9結(jié)果分析可知：底面及正面均無明顯過切與殘留存在。正面?zhèn)茹娂庸?葉片位置)最大殘留0.048 mm，接刀痕較為明顯，且接刀痕隨著切削進(jìn)程的進(jìn)行有逐漸加重的趨勢(shì)。正面點(diǎn)銑加工(葉片位置)最大殘留0.01 mm，接刀痕均勻過渡。底面加工在過渡區(qū)產(chǎn)生0.001 mm左右殘留余量，無明顯接刀痕跡，加工效果良好。側(cè)銑法較點(diǎn)銑法加工效率較高，側(cè)銑法精加工葉片曲面用時(shí)3.20 min，點(diǎn)銑法用時(shí)13.27 min。

圖9 虛擬加工

4 銑削試驗(yàn)

4.1 已知條件

應(yīng)用鋁合金為毛坯，并使用自制后處理導(dǎo)出程序代碼。加工設(shè)備選用可識(shí)別G代碼系統(tǒng)的北京精雕SmartCNC500型搖籃加工中心對(duì)葉片進(jìn)行側(cè)銑與點(diǎn)銑加工。加工時(shí)為確保安全，增高工件距離裝夾位置距離，提前確定設(shè)備氣壓、液壓及電氣元件工作正常，并關(guān)閉防護(hù)門后運(yùn)行加工程序。加工現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

圖10 加工現(xiàn)場(chǎng)

4.2 結(jié)果分析

葉片加工過程中，刀具與機(jī)床、夾具無干涉與碰撞。加工結(jié)束后，結(jié)果顯示：2個(gè)葉片整體加工精度良好，側(cè)銑法加工表面光澤度較好，但在葉片曲面底部接刀痕明顯，與仿真結(jié)果相似。點(diǎn)銑法加工光澤不強(qiáng)，但無明顯過接刀痕。后續(xù)可根據(jù)加工要求選用相應(yīng)的加工方式，零件實(shí)際效果如圖11所示。

圖11 加工成品

5 結(jié)論

(1)以薄壁渦輪葉片為研究對(duì)象，分析提出了一種渦輪葉片的五軸加工工藝。

(2) 借助解析分析法對(duì)切削力進(jìn)行建模，驗(yàn)證切削力經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性，并結(jié)合工件切削受力變形規(guī)律求取了較為合理的切削參數(shù)。

(3)采用虛擬仿真的方式對(duì)加工程序進(jìn)行編制與驗(yàn)證；其中五軸側(cè)銑加工效率較高，但存在接刀痕，五軸點(diǎn)銑加工精度較高，但效率較低。

(4) 通過試驗(yàn)驗(yàn)證了不同加工方式所達(dá)到的不同加工效果；證明了所設(shè)定的工藝與參數(shù)的有效性。

文中所提方法可獲得較為合理的加工參數(shù)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同加工方式下葉片加工效果，可有效減少不必要的切削驗(yàn)證，提升葉片加工質(zhì)量與效率。