空氣渦輪機(jī)靜葉片精銑工藝優(yōu)化研究

吳旭輝,伍賢友

1海裝廣州局駐重慶地區(qū)第二軍事代表室;2北京理工大學(xué)先進(jìn)加工技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室

1 引言

靜葉片是空氣渦輪機(jī)的核心零部件,在空氣渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承受較大的工作應(yīng)力和較高的工作溫度,且應(yīng)力和溫度的變化十分頻繁和劇烈,工作條件非?？量?因此,靜葉片材料一般選擇鈦合金、高溫合金等具有優(yōu)異性能的難加工材料[1],導(dǎo)致加工精度要求高,加工難度大。在結(jié)構(gòu)上,靜葉片屬于薄壁曲面件,是典型的弱剛度薄壁零件,葉片曲率變化大,空間曲面形狀復(fù)雜。由于葉片的薄壁結(jié)構(gòu)和材料的難加工性,葉片的生產(chǎn)加工難度大,切削時(shí)極易產(chǎn)生變形,導(dǎo)致加工精度難以保證[2],因此葉片加工變形及其控制問(wèn)題受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑削加工由于其快速反應(yīng)性、可靠性高、加工柔性好及生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短等優(yōu)點(diǎn),在整體葉盤制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3]。

喻明讓等[4]通過(guò)ABAQUS軟件二次開(kāi)發(fā)有限元仿真和生死單元技術(shù),對(duì)切削過(guò)程中的銑削力加載和材料去除進(jìn)行模擬,構(gòu)建了葉片五軸銑削變形預(yù)測(cè)模型,結(jié)果表明,迭代補(bǔ)償后葉片的平均變形誤差和最大變形誤差減小了92.93%和92.64%。Zhao M.等[5]在獲得ZTC4鈦合金的切削力和刀具磨損經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上,同樣利用生死單元法和刀具磨損量線性疊加等方法,最終得到該型薄壁件的加工變形規(guī)律。陳虹松等[6]通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行了葉片加工的仿真和試驗(yàn),以提高加工效率和減小變形量?jī)?yōu)化目標(biāo),采用遺傳算法對(duì)最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行二次試驗(yàn)和優(yōu)化,最終獲得最佳工藝參數(shù)組合。韓世凱[7]對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的變形控制方法進(jìn)行了研究,使用參數(shù)優(yōu)化的方法控制葉片的加工變形,以最小加工變形和最大材料去除率為目標(biāo),最優(yōu)參數(shù)范圍為:主軸轉(zhuǎn)速4296.06～4311.41r/min,每齒進(jìn)給量0.18～0.19mm/z,軸向切削深度0.22～0.25mm,徑向切削深度0.31～0.35mm;當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)側(cè)重于加工精度時(shí),可以選取較高的主軸轉(zhuǎn)速、較低的每齒進(jìn)給量、較小的軸向切削深度和較小的徑向切削深度。He Kaiming等[8]針對(duì)葉片銑削加工變形量大等問(wèn)題,考慮瞬時(shí)切削厚度變化對(duì)銑削力模型中各系數(shù)的影響,通過(guò)有限元預(yù)測(cè)模型將變形量補(bǔ)償?shù)郊庸こ绦蛑?實(shí)現(xiàn)葉片加工誤差的離線補(bǔ)償。胡曉強(qiáng)[9]分析了鈦合金薄壁葉片銑削加工變形的影響因素,使用VERICUT力模式對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)果表明,VERICUT力模式可以有效減小鈦合金薄壁葉片切削力的波動(dòng),使葉背和葉盆的變形量最大不超過(guò)0.10mm。

在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中靜葉片精銑加工存在如下問(wèn)題:中分面上被分割的葉片尾緣處剛性較差,按照傳統(tǒng)的銑削方式銑削時(shí)葉片發(fā)生上翹變形,中分面上的葉片出現(xiàn)錯(cuò)位變形,從而導(dǎo)致零件報(bào)廢。針對(duì)空氣渦輪機(jī)TC4鈦合金靜葉片精銑時(shí)變形問(wèn)題,本文提出一種插銑葉片尾緣—精銑葉身的新工藝,解決了兩半式靜葉片精銑加工變形的問(wèn)題。

2 現(xiàn)有靜葉片加工工藝及問(wèn)題分析

圖1為某型空氣渦輪機(jī)的整體結(jié)構(gòu),其中靜葉片材料為TC4鈦合金,為兩半式結(jié)構(gòu),圓周均布25個(gè)相同葉片。靜葉片所在外圓輪廓尺寸為φ288mm,軸向?qū)挾葹?2.5mm,單個(gè)葉片高度為30mm。靜葉片的加工以渦輪機(jī)軸心線為定位基準(zhǔn),在粗銑加工后采用線切割工藝分割,中分面上的兩個(gè)葉片被分割為兩半(見(jiàn)圖1b),其中一片不可避免在靠近尾緣部分被分割。

(a)主視圖 (b)剖視圖

圖2為單葉片結(jié)構(gòu)。單個(gè)葉片為直紋葉片,葉片尾緣部分較薄,為半徑0.4mm的圓弧面。單個(gè)葉片分為前緣、尾緣和葉身三個(gè)部分,其中葉身分為內(nèi)弧與背弧,中分面上的葉片存在一個(gè)分割位置,此分割將整個(gè)靜葉片分為兩半。

圖2 中分面葉片結(jié)構(gòu)

表1為靜葉片的原始加工工藝。由五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑先在整體盤狀毛坯上粗銑葉片,然后用線切割將葉盤分割成兩半,加工好中分面上的定位銷孔及螺孔后,將兩半靜葉片組合,再精銑葉片成形。精銑階段使用錐度球頭銑刀與葉片完全貼合繞銑成型。被分割的葉片的尾緣部分強(qiáng)度較低,采用現(xiàn)有的整體銑削加工方法(整體銑削成型)會(huì)發(fā)生變形,被分割位置越薄,變形越嚴(yán)重。因此,傳統(tǒng)精銑葉片工藝易使中分面上的葉片出現(xiàn)錯(cuò)位變形,導(dǎo)致零件報(bào)廢,如圖3所示。對(duì)于分割后的葉片,在同一截面上前緣和后緣附件的變形明顯大于葉片中部的變形[10]。

表1 靜葉片銑削加工工藝

圖3 靜葉片加工變形實(shí)物

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),葉片發(fā)生變形時(shí)刀具沒(méi)有發(fā)生破損失效,排除因刀具失效導(dǎo)致葉片變形的原因。通過(guò)分析葉片變形狀態(tài)發(fā)現(xiàn),葉片分割界面兩側(cè)葉片厚度幾乎一致,而葉片發(fā)生上翹變形,翹曲變形量約1.667mm±0.050mm。觀察發(fā)現(xiàn),葉片在工序F03銑刀繞銑過(guò)內(nèi)弧分割位置后,還未進(jìn)行工序F04前發(fā)生變形。

該靜葉片在分割處的葉片厚度約為2.50mm,靠近尾緣部分的葉片更薄,尾緣是半徑僅0.40mm的圓弧面,剛性較差。如圖3所示,在整體繞銑加工過(guò)程中,刀具繞銑到內(nèi)弧靠近尾緣處時(shí),刀具的軌跡方向存在一個(gè)接近180°的換向。由于葉片較薄,產(chǎn)生彈刀,葉片尾緣受力向背弧方向彎曲變形,銑削后恢復(fù)形變,形成向內(nèi)弧方向的翹曲。

3 靜葉片銑削加工工藝優(yōu)化

針對(duì)靜葉片精銑加工存在的葉片上翹變形問(wèn)題,通過(guò)減少前后緣的切削用量,從而利用葉片自身剛度,有效增強(qiáng)前后緣在精加工過(guò)程中的剛性狀態(tài),達(dá)到抑制加工顫振的目的[11]。可以在葉片整體余量較多,即葉片厚度較厚時(shí),先把剛性較差的尾緣單獨(dú)使用插銑工藝進(jìn)行加工,后續(xù)加工葉身時(shí),避開(kāi)尾緣與刀具的接觸,避免出現(xiàn)彈刀引起葉片變形。

中分面上被分割葉片的精銑加工方案為:分層繞銑—尾緣插銑—背弧點(diǎn)銑—內(nèi)弧點(diǎn)銑—葉片整體精銑—葉片整體精光,如表2所示。

表2 靜葉片銑削加工新工藝

M01整體點(diǎn)銑:粗加工后的葉片余量不均勻,先用球刀以較小吃刀量分層繞銑葉片,使葉片余量均勻。為了增強(qiáng)插銑尾緣時(shí)葉片的剛性,分層繞銑后,葉片均勻留1.5mm余量,如圖4所示。

(a)加工余量

T01尾緣插銑:葉片尾緣強(qiáng)度低,容易變形,插銑可以減小曲面工件加工變形,降低切削加工時(shí)的徑向切削力,因此為了減小尾緣薄壁處變形,在葉片余量較大時(shí)采用插銑的方式先將葉片尾緣銑削到位。圖5為插銑尾緣時(shí)的刀路。插銑時(shí),葉片主要受刀具軸向的切削力作用,有效降低了刀具徑向的切削力,且小吃刀量、點(diǎn)接觸的加工方式可有效降低刀具切削力,解決原工藝方案導(dǎo)致的工件變形問(wèn)題。

M02背弧點(diǎn)銑:在尾緣插銑后,為了減小精銑余量,先進(jìn)行背弧的點(diǎn)銑葉片背弧,繞開(kāi)尾緣不銑,留0.20mm余量精銑,如圖6a所示。圖6b為背弧加工時(shí)的刀具軌跡,刀具軸向每刀吃刀量1.5mm,避免了葉片受較大銑削力發(fā)生變形。

(a)加工余量 (b)走刀軌跡

M03內(nèi)弧點(diǎn)銑:在半精加工背弧后,采用相同的加工方式對(duì)內(nèi)弧進(jìn)行點(diǎn)銑加工。如圖7所示,繞開(kāi)尾緣不銑,留0.2mm余量精銑。通過(guò)尾緣插銑工藝抑制尾緣的變形,通過(guò)背弧點(diǎn)銑和內(nèi)弧點(diǎn)銑實(shí)現(xiàn)靜葉片的有效去除。

(a)加工余量 (b)走刀軌跡

M04-M05整體側(cè)銑:為了保證葉片整體最終的加工質(zhì)量,在背弧與內(nèi)弧點(diǎn)銑去除大部分余量后,采用整體側(cè)銑的方式精銑、精光葉片。與傳統(tǒng)的整體側(cè)銑工藝不同,新工藝對(duì)尾緣插銑工藝階段(T01)已加工到位,如圖8所示,整體側(cè)銑時(shí)刀具軌跡避開(kāi)尾緣,避免了尾緣受力形變。

(a)葉片整體形貌

圖9為新工藝銑削加工獲得的靜葉片實(shí)物?？梢钥闯?與傳統(tǒng)工藝相比,新工藝所獲得的靜葉片分割位置相接較光滑,沒(méi)有發(fā)生翹曲變形等現(xiàn)象。采用新工藝進(jìn)行零件實(shí)物加工,在葉片較厚、葉片剛性較好時(shí),提前將葉片尾緣加工到位,避免了尾緣因剛性差而受力變形。與圖3相比,加工完的葉片變形量≤0.05mm,變形量大幅降低,近似無(wú)形變現(xiàn)象。

圖9 新工藝實(shí)物加工效果

4 結(jié)語(yǔ)

抑制空氣渦輪機(jī)兩半式靜葉片中分面處的加工變形是精密加工靜葉片的關(guān)鍵。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),在靜葉片精銑階段,靠近分割面的尾緣部分剛性較差,傳統(tǒng)整體銑削加工方法在尾緣處產(chǎn)生速度突變,側(cè)向切削力引起尾緣處葉片變形較大,導(dǎo)致葉片中分面發(fā)生錯(cuò)位變形,被分割位置越薄,變形越嚴(yán)重。

針對(duì)空氣渦輪機(jī)兩半式靜葉片精銑變形問(wèn)題,本文對(duì)傳統(tǒng)整體銑削工藝進(jìn)行了優(yōu)化,提出在葉片剛性較好時(shí),先對(duì)葉片尾緣進(jìn)行插銑精加工,再精銑葉身的新工藝。通過(guò)在葉片整體加工余量較多時(shí),先插銑加工尾緣,再在后續(xù)整體精銑中避開(kāi)尾緣的方式,避免了尾緣在厚度較薄、剛性較差時(shí)因銑削受力而產(chǎn)生形變,解決了兩半式靜葉片中分面上葉片精銑變形的問(wèn)題。本研究所提出的新工藝對(duì)兩半式帶葉片類零件的加工具有指導(dǎo)意義,在空氣渦輪機(jī)靜葉片的精密加工方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值和較好的推廣價(jià)值。