整体叶盘数控加工技术研究

第25卷第2期2004年3月航空学报
ACTA AERONAU TICA ET ASTRONAU TICA SIN ICA Vol 125No 12Mar 1 2004
文章编号:100026893(2004 022*******
整体叶盘数控加工技术研究
任军学, 张定华, 王增强, 刘维伟, 汪文虎
(西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室, 陕西西安710072 R esearch on the NC Machining T echnique of B lisk
REN J un 2xue , ZHAN G Ding 2hua , WAN G Zeng 2qiang , L IU Wei 2wei , WAN Wen 2hu
(The K ey Laboratory of Contemporary Design and Integrated Manufacturing , of China ,
Northwestern Polytechnical University , an , 摘要:。

, 提出了一种整体, 、最佳刀轴方向的、加工变形处理和叶片与刀具减振技术等。

给, 证明了所提方法的先进性和有效性。

关键词:; 五坐标数控加工; 刀轴方向; 变形与振动控制中图分类
号:V261文献标识码:A
Abstract :Blisk is a new integrated structure of blades and disk actually used in the aero 2engine of high thrust 2weight ratio. Based on the study of the state 2of 2the 2art of the Blisk manufacturing technology worldwide , a convenient manufacturing process and key technique of 52axis NC machining are proposed in this paper , Such novelties include analyses of blisk 2tunnel feature and partition of manufacturing area , determination of optimal orientation of cutter axis and its refinement , efficient rough
2cutting of the tunnel , high 2precision shaping , control of Blisk distortion and vibration
reduction of cutter and blade. Preliminary results of cutting test verify the validity of the techniques men 2tioned above.
K ey w ords :blisk ; 52axis NC
machining ; cutter axis orientation ; control of distortion and vibration
近年来, 国外航空发达国家在新型航空发动
机结构设计中采用了称之为整体叶盘(blisk 的最新结构。

与传统的叶片和轮盘装配结构相比, 整体叶盘将叶片和轮盘设计成一个整体, 省去了榫头、榫槽和锁紧装置, 避免了榫头气流损失、减少了结构重量和零件数量; 在气动布局上采用了宽弦、弯掠叶片和窄流道, 从而提高了气动效率。

由于整体叶盘使发动机结构大为简化, 推重比和可靠性进一步提高, 因而在新研制的第四代战斗机所配套的高推比发动机上得到了成功的应用。

1国内外整体叶盘制造技术现状
从目前所收集到的资料来看[1], 国外采用的整体叶盘结构形式主要有如图1所示的3种典型结构:(a
闭式结构———带箍整体叶盘; (b 开式结构———不带箍整体叶盘; (c 大小叶
片转子结构———开式结构中大叶片间含有小叶片。

由于整体叶盘是高速旋转部件, 既要达到减重和精确平衡要求, 又要提高疲劳强度, 因而其制造技术难度特别大。

整体叶盘毛坯一般采用钛合
图13种典型整体叶盘结构
Fig 11Three typical structures of blisk
收稿日期:2003206217; 修订日期:2003212215
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金、高温合金等难加工材料, 不允许有裂纹和缺陷, 必须经过严格无损探伤检验; 整体叶盘叶片薄、扭曲度大、叶展长、受力易变形, 且叶片间的通道深而窄、开敞性很差。

因此, 整体叶盘的制造和维修都特别困难, 是国外严密封锁的核心技术。

国外整体叶盘制造采用的主要工艺有:精锻毛坯+精密数控加工; 焊接毛坯+精密数控加工; 高温合金整体精铸毛坯+热等静压处理等。

由于数控加工具有快速反应和可靠
性高的特点, 美国GE 和P. W 公司、英国R. R 盘时, [2], 。

在相关软件方面最著名
的是NREC 公司推出的MAXCAM 系统[3]。

国内在整体叶轮叶盘相关软件和加工关键技术方面也进行了大量研究。

西北工业大学开发出了“叶轮类零件多坐标NC 编程专用软件系统”, 该系统集测量数据预
处理、曲面建模、曲面消隐、刀位计算、刀位验证及后置处理于一体, 已在20多种叶轮叶盘的研制与生产中应用[4]。

2整体叶盘制造工艺
主要采用整体锻造得到初始毛坯, 然后采用电解
加工、线切割、数控铣削等高效数控粗加工技术制造出近成形毛坯。

焊接毛坯具有节省材料及适合于制造双性能盘的优点, 可用于开敞性好、叶片扭曲度小、形状较简单不带箍整体叶盘的近成形毛坯制造, 但目前国内尚无成熟技术可用, 需解决焊接应力与变形、。

,
, , 数控铣削工艺用铣刀的五轴运动包络, 铣削加工出流道形状。

这种工艺适用于整体闭式叶盘和其他具有复杂曲面叶片的整体叶盘。

因此作者认为, 国内目前能够满足研制和小批量试制需求较为可行的技术途径是:近成形毛坯应首选“等温锻造+高效低应力粗加工”方法, 并进一步减少精锻毛坯余量以缩短加工周期; 精确成型加工宜采用五坐标数控铣削工艺。

这种工艺具有快速响应特点、所需专用工艺装备少、工艺较成熟且已制造出了合格的叶盘。

因而该工艺是研制和小批量试制阶段较为理想的选择。

叶型数控铣削完成后, 可选用磨粒流或振动光饰方法, 以提高表面光洁度和完整性。

3整体叶盘数控加工关键技术
(1 通道分析与加工区域的划分
通过对整体叶盘的结构特点和制造工艺需求分析, 本文提出一种整体叶盘复合制造工艺。

从
工艺流程上, 将整体叶盘的制造划分为近成形毛坯制造、精确成型加工以及表面检测与抛光等主要阶段。

针对每个阶段, 筛选出典型工艺方法及其使用条件, 并根
据叶盘制造过程不同阶段的特点, 特别是叶片的复杂程度, 调整工艺集成方案, 优选出成熟、稳定度高的工艺组合。

在近成形毛坯制造阶段, 可采用锻造、焊接和精铸3种工艺。

由于整体叶盘为重要受力部件, 必须满足强度要求, 所以尺寸较大的叶盘一般选用整体锻造或焊接方案。

从目前国内工艺的可行性、成熟度以及毛坯强度考虑
, 整体叶盘研制阶段
为了判定叶盘数控加工的工艺性和刀具的可
达性, 必须首先对通道特征进行分析。

分析结果可为工艺人员确定数控加工刀具参数、制定加工工艺提供必备的信息, 或反馈给设计部门作为可制造性评价依据。

通道分析的内容包括:通道的最窄宽度、约束状态; 叶片的性质(包括叶片是直纹面还是自由曲面、叶片的扭曲度、各个截面的厚度、前后缘大小及变化情况、过渡圆角半径及其是否变化; 加工可行性等。

如图2(a 所示的叶盘通道刀具是可达的, 即该叶盘是可加工的; 而
图2通道加工可行性分析与对接区域划分
Fig 12Analysis of blisk 2tunnel feature and partition of manufacturing area 第2期任军学等:整体叶盘数控加工技术研究207
图2(b 所示的通道刀具是不可达的, 即该零件不可采用数控加工完成。

对闭式整体叶盘, 由于受相邻叶片及内、外环的约束, 或受刀具长度和刚度等限制, 五轴连动数控加工设备通常无法从一端完成整个通道和叶片的加工, 而必须采用从进排气边双侧对接方式。

合理划分对接加工区域, 如图2(c , 既可缩短加工刀具长度, 又可增加切削刀具刚性、
提高加工效率。

加工区域划分准则是:在分界处从两端加工的刀具长度相近, 长度控制到最短。

(2 , 约束状态下, 刀轴方向的确定是实现无干涉及高效加工的关键和难点。

如图3所示, 对于通道内部叶片上的同一点, 所需加工
干涉与碰撞现象, 必须对刀具轨迹进行验证和干涉碰撞检查, 以确定刀位点计算的正确性, 刀杆是否与通道四周干涉, 刀柄和主轴头是否与工件和夹具碰撞。

图4光顺前、后刀轴方向的对比
Fig 14Cutter axis orientations before and after smoothing
(3 叶盘通道的高效粗加工技术
刀具长度随刀轴方向变化而变化, 且相差很大。

若采用固定刀轴侧铣, 则需很长的刀具, 刀具的刚性和切削效率将严重降低。

采用变刀轴点切触加工时, 刀轴方向与叶盘轴向的夹角越小, 所需刀具长度越短。

因此, 可通过确定最佳刀轴方向, 从而获得最短的刀具长度、最大的刀具刚性和加工效率。

确定最佳刀轴方向的准则为:在与通道四周不产生干涉的条件下, 刀轴与叶盘轴向的夹角应为最小。

整体叶盘从毛坯到成品的加工过程中, 大约有90%的材料被切除
, 其中绝大部分是在叶盘通道的粗加工阶段完成。

因此, 高效粗加工是提高加工效率、缩短制造周期的关键。

为此, 作者根据通道性质, 结合切削试验, 建立了一套高效的通道粗加工方法, 包括自由曲面通道的等高线粗加工轨迹计算; 基于粗加工
去除量最大化的刀轴方向优化; 基于通道临界约束的防干涉计算; 粗加工过程动态
仿真; 刀具的振动分析与控制方法。

由于材料切除量大, 粗加工后叶盘内会产生较大的切削应力。

为控制粗加工应力造成的变形, 采取以下3种方法进行处理:①通过优化刀具和工艺参数、优化刀具与工件的切触状态, 降低加工时的切削应力; ②通过热处理工艺消除切削应力以减
小后期变形; ③采用工序分散、多次修复基准的方法, 补偿变形误差。

采取以上工
艺措施后, 不仅叶盘的变形得到了控制, 同时还进一步减少了叶盘精加工前的近成形毛坯余量, 明显缩短了加工周期。

(4 叶盘型面的精确加工技术整体叶盘的精加工涉及内环、外环、叶片型面、
前后缘、叶根过渡区等加工特征。

整体叶盘的加工工艺和加工顺序采用基于与或树的向导图表示, 它描述了各个加工特征的工艺特点、确定加工顺序的必要条件或充分条件以及每个加工特征对应的加工工艺和刀具轨迹生成方法的集合。

例如, 内环、外环属于回转面, 采用数控车削加工方法; 闭式结构叶盘的叶片表面是带实约
束面的腔槽(pocket 侧面, 采用基于临界约束面的专用五轴数控精加工方案; 开式结
构叶盘(含大小叶片转子的叶片表面是带相邻面约束的沟槽(slot 侧
图3刀轴方向对刀长的影响
Fig 13The effect of cutter axis orientation on cutter length
在实际计算中, 按最佳刀轴方向准则计算得到的每个刀位点的刀轴方向, 由于受通道多约束的影响, 相邻的刀位点之间的刀轴方向可能会产生不连续变化, 如图4所示。

在加工过程中, 刀轴方向的这种突变会使得五坐标数控机床工作台的回转或主轴的摆动突然变快或变慢, 导致刀具的切削力产生突变:轻则造成被加工零件表面质量降低或啃伤, 重则会导致刀具的刃部损坏甚至刀具折断。

因此, 必须在最佳刀轴方向初始矢量的基础上, 进一步进行光顺处理, 但该光顺必须在通道多约束条件下进行, 以防止调整后的刀具与通道发生干涉。

为了确保叶盘在加工过程中不发生
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面, 采用基于临界线的专用五轴数控精加工方案, 或直纹面侧铣加工方案; 叶根过渡区是自由曲面交线, 采用“半径递减”清根方案。

由于整体叶盘的叶片很薄, 特别是叶尖和前后缘的厚度不到014mm 。

因此, 叶片受到切削力后会产生颤振并出现严重的“让刀”现象; 同时, 由于受通道的限制, 刀具直径小且刀杆长, 受到切削力时会产生振动[5]。

这种刀具及叶片的耦合颤振严重影响叶片的表面加工质量, 使叶片表面出现鱼鳞状缺陷, 题。

下3①, ; ②根据不同的结构及零件的刚性确定刀具的参数, 使叶片和刀具的刚度协调; ③通过工艺填充方法, 加强叶片切削时的刚性、增加颤振阻尼以实现对振幅的控制。

通过加工实验证明, 以上措施对抑制颤振、保证叶片加工精度和表面质量都具有十分明显的效果。

4结论
0104mm 以内, 完全达到了设计要求。

15of blisk
参考文献
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[J].Computer 2Aided Design , 1995,27(12 :887-894. [4]刘雄伟, 张定华, 等. 数控加工理论与编程技术[M ].北
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Future ’[C].Proc IEEE , 1995. 436-442.
本文在跟踪和分析整体叶盘先进制造技术国际现状的基础上, 针对整体叶盘结构特点, 结合国内现有工艺, 提出了一种整体叶盘复合制造工艺, 论述了其中的关键技术和难点的解决方法, 总结了整体叶盘数控加工的工程经验。

所提方法已在型号研制中得到成功应用, 先后完成了某涡扇发动机一、二级风扇叶盘以及某涡轴发动机大小叶片转子试验件的加工, 并取得了预期的试验结果。

图5所示为所完成的一级风扇叶盘, 经三坐标测量机检测, 叶片型面的误差控制在0105mm 以内, 叶盘的整体变形控制在
作者简介:
任军学(1968- 男, 西北工业大学机电学院讲师, 硕士, 主要从事CAD/CAM 方面的研究。

E 2mail :rjx1968@. cn 。

(责任编辑:蔡斐。