高温合金整体叶环叶片点接触铣削加工技术研究_李湘胜.pdf

MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期机械工程师高温合金整体叶环叶片点接触铣削加工技术研究李湘胜1，安鲁陵1，王建荣2，欧阳克良2（1.南京航空航天大学，南京 210016；2.中国航发贵州黎阳航空动力有限公司，贵阳 550014）0引言通过减轻航空发动机的质量来提高其推重比是一种有效的途径，采用整体轻量化结构和轻质高强度耐热材料是常用的方式之一1-3。本文所研究的高温合金整体叶环系指由轮毂、围带及叶片三部分组成4的压气机整流器，发动机工作时，空气从叶片进气端的叶盆侧流入，从叶片排气端的叶背侧流出，相邻两个叶片的盆、背面之间的区域称为流道5。叶片为扭曲型自由曲面薄壁件，其作用是使更多的空气通过流道顺畅流入，提高气动性能6。整体叶环的结构开敞性差，叶片扭曲度高、刚度低，其叶片曲面复杂、流道空间狭窄，导致刀具可达性差，且轮毂、围带与叶片连接处的转接R7、叶片进排气边转接圆角和叶片型面轮廓度、位置度等各项精度要求高，致使其叶片型面的五轴精密铣削加工难度大8。此外，整体叶环材料为高温合金GH4169，优点是抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能好，但缺点是属于典型的难加工材料，需要大切削力，切削温度高，加工硬化严重，刀具磨损剧烈。如何合理规划刀具的刀轨路径和相应参数，并进行刀路仿真规划与试验验证，避免颤振、碰撞与干涉，实现对流道和叶片全部型面的精密加工是本文研究的重点。对于整体叶环复杂曲面叶片加工来说，通过五轴数控铣削减材加工的工艺过程一般为粗加工、半精加工和精加工共3个阶段9。当工序到整体叶环的叶片铣削加工时，说明已完成了环锻件的快速去除毛坯粗加工和半精加工阶段，而精加工阶段主要完成整体叶环叶片的全部加工，将叶片精铣到最终尺寸并保留约0.005 mm的残留余高便于后续的光整加工，保证设计图样的尺寸精度和粗糙度要求。舒启林等10对整体叶轮的插铣、侧铣、点铣加工进行了对比分析，综述了近年来五轴数控加工刀具规划的研究进展和现状，认为应该从产品整体加工工艺流程的角度出发，充分考虑加工过程中刀具轨迹、动力学与机床运动学等特性以实现零件的高效高质量加工。Li Jianhui等11建立了不同五轴数控机床球头点接触铣削过程中的通用切削力动力学模型，考虑了刀具与零件的结构动力学，预测了刀具轨迹上每个刀具位置的颤振稳定性，并用所建立的切削力模型对五轴数控机床的颤振稳定性进行了实验模拟。赵文明等12根据整体叶盘的切削加工特征与结构特点，利用五轴数控摘要：航空发动机高温合金整体叶环具有半封闭流道型腔结构，开敞性差，叶片具有复杂自由型面、壁薄等特点，难以切削加工，且易出现干涉和变形。为解决此类零件的高效高精加工，提出了一种点接触式铣削加工的工艺方案，建立了切削力模型，分析出刀具铣削过程的主要影响因素为变化进给比例，应用UltraCAM工艺软件优选了点铣工艺方法的进给比例，得出相应的刀具轨迹与数控加工程序，并对基于第三级整流器的整体叶环零件进行实际加工验证，达到了预期效果，为整体叶环快速研制提供有效的叶片点接触铣削加工工艺规范。关键词：航空发动机；高温合金；整体叶环；叶片；点铣中图分类号:V 263.1文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08006105Research on Point Contact Milling Technology of Superalloy Bling BladeLI Xiangsheng1,AN Luling1,WANG Jianrong2,OUYANG Keliang2(1.NanjingUniversityofAeronautics and Astronautics,Nanjing210016,China;2.AECCGuizhou LiYangAviation Power Co.,Ltd.,Guiyang550014,China)Abstract:Aero-engine Superalloy bling has the characteristics of semi closed channel cavity structure,twisted freeprofile,thin and easy deformation of blade.In this paper,a process scheme of point con-tact milling of bling is proposed,the cutting force model of point milling process is established,and the main influencing factor of tool milling process ischanging feed ratio.The feed ratio of point mil-ling process is optimized by using UltraCam process software.Corresponding tool path and NC ma-chining program are obtained,and the actual machining verification is carried out onthe bling part based on the third stage rectifier,which achieves the expected effect.It provides an effective processspecification for blade point contact milling for the rapid development of the bling.Keywords:aero-engine;superalloy;bling;blade;point milling图1高温合金整体叶环示意图围带叶片叶盆面轮毂后缘叶背面前缘UV61MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：机械工程师加工中心对整体叶盘的叶片与流道待加工表面进行点接触的铣削加工，完成了加工过程中的点铣切削力检测分析。因此，针对高温合金材料的整体叶环叶片型面精加工可选用点接触式铣削加工的工艺方法。1整体叶环叶片结构与材料分析本文研究的某型航空发动机基于三级整流器的整体叶环为类环锻件，交货状态为固溶+时效+粗加工，硬度为363450 HB。本次整体叶环叶片加工试验验证以基于三级整流器的整体叶环为对象（如图2），材料为GH4169高温合金，其中零件最大外径为650 mm，最小内径为540 mm，叶型面轮廓度为0.08 mm，形位公差为0.03 mm，表面粗糙度为Ra0.4 m，流道之间的叶片数量为98片，流道型腔的数量为98个，最终完成加工后切断成扇形段进行交付。零件锻件毛坯外径为670 mm，内径为540mm，高度为40 mm，整体叶环流道采用环锻件，通过数控铣削整体加工而成。按照基于三级整流器的整体叶环的工艺规程要求，叶片精铣工序完成后零件应满足叶型面轮廓度（0.20.04）mm，相对于叶片积累轴的位置度公差为0.150.2 mm，垂直于积累轴的叶型截面扭转角为15，表面粗糙度为Ra1.6 m，检测叶片流道之间的距离在13.1 mm以内，检测7个截面的半径实测值。因此，整体叶环零件结构复杂，叶片叶身薄，流道空间狭窄，加工难度大，精度要求高，零件容易变形，需在刚度高、精度高、稳定性强的五轴数控加工中心上进行铣削加工。基于压气机整流器的闭式整体叶环采用GH4169高温合金材料，GH4169高温合金的国内检测标准为GJB7131989，GH4169的密度为=8.24 g/cm3。高温合金材料加入了许多高熔点合金元素，构成了纯度高、组织致密的奥氏体合金，其导热率低，在切削加工过程中会导致塑性变形大。另外高温合金材料中存在大量的碳化物、氮化物及金属间化合物，在高温合金材料切削加工过程中产生的高温反而会使材料的硬度增加，仍能保持相当高的强度和硬度。因此，高温合金的可切削加工性能低，机械加工比较困难，适合采用低表面切削线速度，而要减少切削热的不利影响，就要减少切削热的产生，改善散热条件，其主要措施是合理选择切削用量（尤其是切削线速度）和刀具角度，合理应用切削液。2整体叶环叶片点铣加工工艺参数优选对于整体叶环叶片点接触式精加工的方法是球头铣刀的球头部分进行点接触式切削加工，只能用半径很小的刀具加工，通过规划合理的刀具方向来缩短刀具长度，减少刀具的变形和振动。优点是加工精度高，适用于高精度叶片的精加工，缺点是加工效率低下，而且加工表面质量差，表面硬化严重，由于只利用刀具头部切削，刀具磨损严重。在目前数控加工软件中，刀具路径规划策略仅仅考虑几何方面的因素，无法针对具体特征的工艺性能来规划刀具路径。针对典型特征的几何尺寸、相对位置和工艺特点，推荐刀具生成策略，根据刀具几何形状规划适用于高速铣削的光滑无干涉刀具路径。在叶片边缘的拐角特征处，光顺刀轴序列，并且减小进给率，避免由于刀轴的突变而造成加工质量的下降。叶片精加工的最大问题就是叶片变得很薄，加工刀具采用的是球头刀，叶片加工过程中会产生变形和振动，为减少叶片型面的加工变形和振动，在点铣加工过程中主要考虑的因素是合理设计铣削刀具路径和进给率规划，采用多次分层小进给加工，使加工应力逐步释放，有效减少变形。小余量的加工降低了零件的变形和加工过程中的振动。五轴数控铣削加工中，刀轴与工件表面形成一定的倾斜角度，同时由于刀具在不同的轴向位置的直径可能不同（平底刀相同），因此切削工件的同一位置时，前后两个刀刃的切削半径可能不同。如图3所示，X、Y、Z 为 固 定 坐 标系，XC、YC、ZC为 刀具浮动坐标系，f为进给速率。目前，大多数CAD/CAM系统采用保守的方式设定恒定、较低的进给速度来规划刀位文件，刀位文件一般是根据零件的几何形状和实体模型进行规划得到，很少考虑到加工的物理过程。切削过程中，瞬时切削力作为重要的加工参数之一，直接引起变形、振动及刀具破裂、磨损等问题，因此需要将瞬时切学力控制在可接受的范围内。在自由曲面五轴加工过程中，不同的位置材料去除量不同，如果根据最大切削力的限制，保守地选择恒定的进给速度，会使切削力波动较大，额外增加加工时间，降低加工效率。而且切削力的波动会引起加工变形的波动，导致加工表面质量不一致。因此，在整体叶环的点铣精加工过程中，需要规划好复杂曲面加工的变进给速度与进给加速度，尽量保持切削力的恒定，在保证工件加工质量的同时提高加工效率。对于点铣加工的工艺方法，由于切削过程中五轴数控机床随时处于高速运动状态，切削余量很小，机床各轴时刻在加减速过程中变化。因此，高速高精度的点铣加工过程对五轴数控加工中心设备的动态特性尤其是动力学特性提出了