空氣渦輪機靜葉片精銑工藝優化研究

吳旭輝,伍賢友

1海裝廣州局駐重慶地區第二軍事代表室;2北京理工大學先進加工技術國防重點學科實驗室

1 引言

靜葉片是空氣渦輪機的核心零部件,在空氣渦輪機運轉時承受較大的工作應力和較高的工作溫度,且應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、高溫合金等具有優異性能的難加工材料[1],導致加工精度要求高,加工難度大。在結構上,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,空間曲面形狀復雜。由于葉片的薄壁結構和材料的難加工性,葉片的生產加工難度大,切削時極易產生變形,導致加工精度難以保證[2],因此葉片加工變形及其控制問題受到國內外學者的廣泛關注。五軸聯動數控銑削加工由于其快速反應性、可靠性高、加工柔性好及生產準備周期短等優點,在整體葉盤制造領域得到廣泛應用[3]。

喻明讓等[4]通過ABAQUS軟件二次開發有限元仿真和生死單元技術,對切削過程中的銑削力加載和材料去除進行模擬,構建了葉片五軸銑削變形預測模型,結果表明,迭代補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驗公式的基礎上,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律。陳虹松等[6]通過正交實驗法進行了葉片加工的仿真和試驗,以提高加工效率和減小變形量優化目標,采用遺傳算法對最優工藝參數進行二次試驗和優化,最終獲得最佳工藝參數組合。韓世凱[7]對航空發動機葉片的變形控制方法進行了研究,使用參數優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,最優參數范圍為:主軸轉速4296.06～4311.41r/min,每齒進給量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;當優化目標側重于加工精度時,可以選取較高的主軸轉速、較低的每齒進給量、較小的軸向切削深度和較小的徑向切削深度。He Kaiming等[8]針對葉片銑削加工變形量大等問題,考慮瞬時切削厚度變化對銑削力模型中各系數的影響,通過有限元預測模型將變形量補償到加工程序中,實現葉片加工誤差的離線補償。胡曉強[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力模式對數控程序進行了優化,結果表明,VERICUT力模式可以有效減小鈦合金薄壁葉片切削力的波動,使葉背和葉盆的變形量最大不超過0.10mm。

在實際生產加工過程中靜葉片精銑加工存在如下問題:中分面上被分割的葉片尾緣處剛性較差,按照傳統的銑削方式銑削時葉片發生上翹變形,中分面上的葉片出現錯位變形,從而導致零件報廢。針對空氣渦輪機TC4鈦合金靜葉片精銑時變形問題,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題。

2 現有靜葉片加工工藝及問題分析

圖1為某型空氣渦輪機的整體結構,其中靜葉片材料為TC4鈦合金,為兩半式結構,圓周均布25個相同葉片。靜葉片所在外圓輪廓尺寸為φ288mm,軸向寬度為42.5mm,單個葉片高度為30mm。靜葉片的加工以渦輪機軸心線為定位基準,在粗銑加工后采用線切割工藝分割,中分面上的兩個葉片被分割為兩半(見圖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為單葉片結構。單個葉片為直紋葉片,葉片尾緣部分較薄,為半徑0.4mm的圓弧面。單個葉片分為前緣、尾緣和葉身三個部分,其中葉身分為內弧與背弧,中分面上的葉片存在一個分割位置,此分割將整個靜葉片分為兩半。

圖2 中分面葉片結構

表1為靜葉片的原始加工工藝。由五軸聯動數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度較低,采用現有的整體銑削加工方法(整體銑削成型)會發生變形,被分割位置越薄,變形越嚴重。因此,傳統精銑葉片工藝易使中分面上的葉片出現錯位變形,導致零件報廢,如圖3所示。對于分割后的葉片,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 靜葉片加工變形實物

通過分析發現,葉片發生變形時刀具沒有發生破損失效,排除因刀具失效導致葉片變形的原因。通過分析葉片變形狀態發現,葉片分割界面兩側葉片厚度幾乎一致,而葉片發生上翹變形,翹曲變形量約1.667mm±0.050mm。觀察發現,葉片在工序F03銑刀繞銑過內弧分割位置后,還未進行工序F04前發生變形。

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,在整體繞銑加工過程中,刀具繞銑到內弧靠近尾緣處時,刀具的軌跡方向存在一個接近180°的換向。由于葉片較薄,產生彈刀,葉片尾緣受力向背弧方向彎曲變形,銑削后恢復形變,形成向內弧方向的翹曲。

3 靜葉片銑削加工工藝優化

針對靜葉片精銑加工存在的葉片上翹變形問題,通過減少前后緣的切削用量,從而利用葉片自身剛度,有效增強前后緣在精加工過程中的剛性狀態,達到抑制加工顫振的目的[11]?？梢栽谌~片整體余量較多,即葉片厚度較厚時,先把剛性較差的尾緣單獨使用插銑工藝進行加工,后續加工葉身時,避開尾緣與刀具的接觸,避免出現彈刀引起葉片變形。

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—背弧點銑—內弧點銑—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。為了增強插銑尾緣時葉片的剛性,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為插銑尾緣時的刀路。插銑時,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,解決原工藝方案導致的工件變形問題。

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

(a)加工余量 (b)走刀軌跡

M03內弧點銑:在半精加工背弧后,采用相同的加工方式對內弧進行點銑加工。如圖7所示,繞開尾緣不銑,留0.2mm余量精銑。通過尾緣插銑工藝抑制尾緣的變形,通過背弧點銑和內弧點銑實現靜葉片的有效去除。

(a)加工余量 (b)走刀軌跡

M04-M05整體側銑:為了保證葉片整體最終的加工質量,在背弧與內弧點銑去除大部分余量后,采用整體側銑的方式精銑、精光葉片。與傳統的整體側銑工藝不同,新工藝對尾緣插銑工藝階段(T01)已加工到位,如圖8所示,整體側銑時刀具軌跡避開尾緣,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物?？梢钥闯?與傳統工藝相比,新工藝所獲得的靜葉片分割位置相接較光滑,沒有發生翹曲變形等現象。采用新工藝進行零件實物加工,在葉片較厚、葉片剛性較好時,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,近似無形變現象。

圖9 新工藝實物加工效果

4 結語

抑制空氣渦輪機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鍵。通過分析發現,在靜葉片精銑階段,靠近分割面的尾緣部分剛性較差,傳統整體銑削加工方法在尾緣處產生速度突變,側向切削力引起尾緣處葉片變形較大,導致葉片中分面發生錯位變形,被分割位置越薄,變形越嚴重。

針對空氣渦輪機兩半式靜葉片精銑變形問題,本文對傳統整體銑削工藝進行了優化,提出在葉片剛性較好時,先對葉片尾緣進行插銑精加工,再精銑葉身的新工藝。通過在葉片整體加工余量較多時,先插銑加工尾緣,再在后續整體精銑中避開尾緣的方式,避免了尾緣在厚度較薄、剛性較差時因銑削受力而產生形變,解決了兩半式靜葉片中分面上葉片精銑變形的問題。本研究所提出的新工藝對兩半式帶葉片類零件的加工具有指導意義,在空氣渦輪機靜葉片的精密加工方面具有良好的應用價值和較好的推廣價值。