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【兆恒機(jī)械】基于非均勻余量的超薄葉片葉輪工藝優(yōu)化策略

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  • 添加日期:2021年05月04日

摘 要:針對(duì)超薄結(jié)構(gòu)葉片整體葉輪在制造過(guò)程中產(chǎn)生的較大切削變形,分析了薄壁葉片在集中載荷下的變形規(guī)律,應(yīng)用了非均勻余量的工藝優(yōu)化方案。依據(jù)優(yōu)化后的工藝基于NX對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的軸流式整體葉輪進(jìn)行了刀具軌跡規(guī)劃并進(jìn)行加工試驗(yàn),檢測(cè)得到最大誤差優(yōu)化率為59.87%,平均誤差優(yōu)化率51.81%,顯示該策略能有效減小超薄葉片的銑削變形,尤其對(duì)葉片前緣和尾緣剛性較差部分的加工誤差優(yōu)化效果明顯,對(duì)具有類(lèi)似結(jié)構(gòu)葉片的復(fù)雜曲面整體葉輪零件的加工具有一定的指導(dǎo)意義,對(duì)前緣和尾緣突出的異形葉片也尤為適合。

關(guān)鍵詞:切削變形;整體葉輪;復(fù)雜曲面;工藝優(yōu)化策略;超薄葉片

1 引言

整體葉輪作為動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)及環(huán)控系統(tǒng)中核心零、部件,對(duì)裝備性能的保障起到重要作用。伴隨著結(jié)構(gòu)科學(xué)、材料科學(xué)技術(shù)及計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)手段的飛速發(fā)展,整體葉輪系零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜,葉片、流道、葉片前緣均為大曲率復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu),流道深且狹長(zhǎng),精度要求亦不斷提高,對(duì)于擁有大量復(fù)雜曲面的整體葉輪系零件,整個(gè)工藝過(guò)程中材料去除率達(dá)到(85~90)%,有些葉輪甚至大于95%,整體剛度較低,工藝性較差,為典型弱剛性零件。在整個(gè)切削加工過(guò)程中,受到夾持力、切削力、切削振動(dòng)、金屬纖維組織變形及應(yīng)力等影響,極易引起零件變形、切削振動(dòng)等不良現(xiàn)象,切削極不平穩(wěn),而技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的趨于嚴(yán)苛、切削環(huán)境惡劣也為整體葉輪系零件工藝過(guò)程中的變形控制技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)。目前,整體葉輪的制造手段主要依靠五坐標(biāo)加工中心,在加工過(guò)程中超薄葉片的變形問(wèn)題成為一個(gè)亟需解決的難題,特別是葉片厚度差異性較大,擁有較薄前、尾緣等特殊結(jié)構(gòu)的整體葉輪,在刀具切削過(guò)程中由于其剛性較差導(dǎo)致葉片前、尾緣產(chǎn)生較大變形,甚至引起葉片崩刃、卷曲,致使零件報(bào)廢。

當(dāng)前,在薄壁件加工變形誤差的研究方面,文獻(xiàn)[1]提出一種基于數(shù)控程序生成的刀具軌跡對(duì)扭曲曲面薄壁零件制造進(jìn)行有限元模擬的方法,將相對(duì)誤差控制在20%以?xún)?nèi)。文獻(xiàn)[2]針對(duì)薄壁件在制造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生彈性形變的特點(diǎn),建立了制造過(guò)程中變形量與各因素間的預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[3]探討了切削參數(shù)、刀具傾角以及薄壁葉片汽道內(nèi)弧各個(gè)點(diǎn)對(duì)葉片變形的影響規(guī)律,建立了薄壁葉片加工過(guò)程中變形量與各因素之間的預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[4]分析了葉片的剛性特點(diǎn)和切削力作用下的變形情況,得出各位置力與變形的擬合關(guān)系,并根據(jù)控制要求得出各區(qū)域合理切削力,為加工參數(shù)的擬定提供了理論依據(jù)。文獻(xiàn)[5]針對(duì)整體葉輪車(chē)銑復(fù)合的加工特點(diǎn)構(gòu)建了工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型,提出一套工藝參數(shù)優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[6]利用軟件對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在加工過(guò)程中的變形情況進(jìn)行了有限元模擬,并在程序中進(jìn)行了變形量補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工誤差的離線(xiàn)補(bǔ)償;文獻(xiàn)[7]對(duì)軸流式葉輪的整體制造工藝進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[8-10]進(jìn)行了機(jī)械加工過(guò)程的物理建模研究。通過(guò)有限元軟件對(duì)葉片的變形趨勢(shì)進(jìn)行分析得到超薄葉片的變形規(guī)律,提出葉片橫向非均勻余量的工藝優(yōu)化策略,較小葉片剛性較差的前緣和尾緣的切削變形,有效提高整體葉輪的制造精度。選用生產(chǎn)實(shí)際中的某型航空環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)置復(fù)雜曲面超薄葉片整體葉輪零件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,較好地還原其設(shè)計(jì)理念,滿(mǎn)足技術(shù)文件的要求。

2 葉片變形有限元分析

2.1 銑削力經(jīng)驗(yàn)公式

采用球頭立銑刀銑削力模型經(jīng)驗(yàn)公式的銑削力建模。依據(jù)金屬切削原理的結(jié)論,在零件基體材料和切削刀具幾何參數(shù)等確定的情況之下,切削力與切削參數(shù)之間存在復(fù)雜的指數(shù)關(guān)系,其通用形式為:

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式中:Fx,F(xiàn)y,F(xiàn)z—三個(gè)方向銑削力 CFx,CFy,CFz為系數(shù),反映了加工材料和銑削條件;arp—切削深度;n—切削速度;f—進(jìn)給速率;Rn—球頭刀名義半徑;x,y,z,m—待定系數(shù)。

整體葉輪零件的基體材料為6061航空鋁合金,其材料部分性能參數(shù),如表1所示。

表1 6061航空鋁合金材料部分性能參數(shù)
Tab.1The Performance Parameter of 6061Aviation Duralumin

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項(xiàng)目 密度g/cm3 泊松比 拉伸強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度數(shù)值 2.70.33310MPa 276MPa

6061航空鋁合金的球頭刀銑削力模型為[11]

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2.2 葉片變形有限元分析

基于NX的有限元分析需對(duì)復(fù)雜曲面整體葉輪零件進(jìn)行簡(jiǎn)化,由于葉輪回轉(zhuǎn)體零件的葉片徑向均布,故使用單一葉片來(lái)替代整個(gè)葉輪進(jìn)行受力分析可大大提高工作效率。整體葉輪葉片屬于非可展直紋曲面,幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可視為薄壁結(jié)構(gòu),對(duì)其指派材料后采用3D Tetrahedral進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

在整體葉輪的制造過(guò)程中,由于葉輪零件的特殊結(jié)構(gòu),其唯一的約束在于葉根與輪轂相接處,結(jié)構(gòu)上可將其視為懸臂梁結(jié)構(gòu),故將葉根處定義為完全約束。設(shè)葉片的曲面方程為S(u,v),葉片的橫截面線(xiàn)方向?yàn)関向,葉片高度方向?yàn)閡向,將v方向上連續(xù)的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡離散成11個(gè)切削位置;葉片高度u向離散成10個(gè)切削位置。依據(jù)上述球頭刀銑削力模型,計(jì)算x,y,z三個(gè)方向的銑削力大小,將每個(gè)刀具觸點(diǎn)處的銑削力施加到離該觸點(diǎn)空間位移最近的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上,求解器對(duì)變形前后的位移坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算后得到葉片的變形規(guī)律,如圖1所示。

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圖1 基于NX的葉輪葉片有限元分析
Fig.1The FEA of Impeller Blade Based on NX

3 葉片變形規(guī)律分析

繪制的葉片變形趨勢(shì)圖,如圖2所示。葉冠曲線(xiàn)為u=1線(xiàn),葉根曲線(xiàn)為u=10線(xiàn)。在葉冠曲線(xiàn)中,位于葉片前緣、尾緣的v=1點(diǎn)和v=11點(diǎn)的變形量最大,分別為0.0946mm和0.0977mm,后急劇下降,越趨近葉片中部,變形量趨于平緩,最小變形量在v=6點(diǎn),為Smin=0.0699mm;葉根曲線(xiàn)中,兩個(gè)最大的變形量出現(xiàn)在葉片邊緣的v=1和v=11點(diǎn)處,為Smax1=0.0030mm和Smax2=0.0020mm;而最小變形點(diǎn)是v=6和v=7點(diǎn)處,數(shù)值均為Smin=0.0002mm。對(duì)同一張葉片不同行但代號(hào)相同的所有節(jié)點(diǎn)變形量求平均值,發(fā)現(xiàn)最大變形量點(diǎn)亦為處在葉片邊緣的Smax=0.03937mm,最小平均值Smin=0.0283mm。

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圖2 葉輪葉片v向變形趨勢(shì)
Fig.2V Direction Deformation Trend of Impeller Blade

就各節(jié)點(diǎn)的變形量衰減速度而言,可繪制的變形量衰減曲面圖,如圖3所示。葉冠曲線(xiàn)中,v=1點(diǎn)和v=11點(diǎn)相比,衰減速度為0.1691和0.173,其他各點(diǎn)對(duì)比的衰減速度均在0.09以下;相同位置的葉根曲線(xiàn)中,衰減速度最大為兩個(gè)葉邊緣的kmax1=0.8333和kmax2=0.7,其余的衰減速度為均在0.5以下;平均變形量曲線(xiàn)中,兩個(gè)葉片邊緣的衰減速率為k1=0.1522和k2=0.1594,其余衰減速度均在0.1mm以下。

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圖3 變形量衰減速度曲面圖
Fig.3The Surface Chart of the Attenuation Velocity of Deformation

根據(jù)在從u,v向分析得到加工變形量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,可以得到整個(gè)葉片曲面變形量大小,從而總結(jié)出葉片的變形規(guī)律:

(1)v方向上,葉片變形量最大的位置在葉片前緣和尾緣,變形量最小的位置在葉片中部;

(2)u方向上,葉片變形量最大的位置在葉冠部分,最小的位置在葉片根部;

(3)葉片的最大變形量為Smax=0.0977mm,整張葉片的平均變形量為S=0.03157mm;

(4)葉片最易發(fā)生變形的地方是較薄的葉片前緣和尾緣兩端,且距離葉根越遠(yuǎn)變形量越大。

4 工藝優(yōu)化策略

4.1 一種非均勻余量銑削工藝設(shè)計(jì)

軸流式復(fù)雜曲面整體葉輪的葉片截面呈梭型,前緣和尾緣較葉片中部而言尺寸更薄,因此在切削加工中,其振動(dòng)更為劇烈、剛性更差、變形量較葉片中部而言更大。由分析數(shù)據(jù)可知,一個(gè)葉片除其前緣、尾緣的變形量最大之外,整個(gè)葉片靠近前緣、尾緣(5~25)%的區(qū)域也是葉片變形量較大的部分,而葉片中部的(25~75)%剛度較好,變形量的變化也較平緩。因此,設(shè)計(jì)如圖4所示的非均勻余量預(yù)留方案,為減小其在加工中的變形量,將對(duì)葉片進(jìn)行分區(qū)域加工。即先加工葉片剛性較差的前緣和尾緣部分,使其在葉片整體剛性較好的時(shí)候先被加工至技術(shù)文件要求的尺寸,再對(duì)剛性較良好的葉片中部進(jìn)行切削加工,最后以徑向零吃刀量的方式空銑一刀,穩(wěn)定加工尺寸。傳統(tǒng)的整體葉輪制造工藝路線(xiàn)分為整體葉輪的流道粗加工,葉片精加工和流道精加工,使用非均勻余量的預(yù)留方案后,工藝路線(xiàn)變更為圖5所示的流道粗加工,葉片前、尾緣精加工,葉片精加工和流道精加工。

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圖4 非均勻余量預(yù)留方案
Fig.4The Scheme of Non-Uniform Stock

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圖5 優(yōu)化后整體葉輪制造工藝路線(xiàn)
Fig.5Optimization of the Overall Process of the Impeller Manufacturing Process

4.2 基于NX的刀具軌跡規(guī)劃

使用NX_CAM模塊中的mill_multi_blade策略進(jìn)行非均勻余量的五坐標(biāo)刀具軌跡規(guī)劃。選用剛性較好的硬質(zhì)合金無(wú)涂層錐度球頭立銑刀,采用大切深大進(jìn)給量進(jìn)行葉輪流道大部分余量去除,設(shè)置合適的側(cè)傾安全角、Lead at leading edge和Lead at trailing edge等參數(shù),以有效控制刀具切削葉片時(shí)的傾斜角度,往復(fù)上升的驅(qū)動(dòng)方式可以使刀具在每刀切削銜接時(shí)圓滑刀軌并提高加工效率。流道大部分材料清除完畢后,葉片四周均勻留存適當(dāng)余量,以便進(jìn)行葉片前、尾緣精加工。

葉片前、尾緣精加工的刀具軌跡規(guī)劃運(yùn)用NX_CAM模塊中通用的Variable_Contour策略,Variable_Contour策略中提供了曲面、邊界、流線(xiàn)等9種驅(qū)動(dòng)方法,可對(duì)預(yù)加工的區(qū)域進(jìn)行刀軌規(guī)劃,合適的刀軸控制策略和側(cè)傾角的設(shè)置有助于對(duì)刀桿的擺角進(jìn)行控制,防止干涉。在葉片前、尾緣的精加工程序編制中,為提高葉片曲面的銑削加工精度保證加工質(zhì)量。相關(guān)切削參數(shù)如空間擺角參數(shù)、最大步長(zhǎng)參數(shù)、工件內(nèi)/外公差參數(shù)等在保證切削效率的同時(shí)可盡量選擇較小的數(shù)值,這樣會(huì)使變化劇烈的拐角處增加許多過(guò)度的刀位,減小刀具擺角變化的劇烈程度,同樣也減小了拐角處刀具矢量變化的劇烈程度,使刀具軌跡細(xì)膩,有利于機(jī)床平穩(wěn)工作,可有效改善加工質(zhì)量?;贜X的葉片前、尾緣精加工刀具軌跡規(guī)劃,如圖6所示。

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圖6 葉片前緣精加工刀具軌跡規(guī)劃
Fig.6Tool Path Planning for Fine Machining of Blade Leading Edge

5 實(shí)例驗(yàn)證

使用實(shí)際生產(chǎn)中所制造的某型環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)置軸流式復(fù)雜曲面整體葉輪零件,零件直徑Φ269.6mm,葉片高度45.8mm,最大厚度1.26mm,前、尾緣最小厚度0.209mm,不計(jì)工藝夾頭,葉輪總厚度50mm,葉片徑向均布18片,葉根圓角R=2.55mm。采用以上所述的工藝流程及NX刀具軌跡規(guī)劃方法,依據(jù)表2中的刀具配置及工藝參數(shù),得到的各工序刀具軌跡,如圖7所示。

表2 刀具配置及工藝參數(shù)表
Tab.2Tool Configuration and Processing Parameters List

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序號(hào) 刀具類(lèi)型 加工內(nèi)容主軸轉(zhuǎn)速(r/min)切削深度(mm)1Φ5-8°錐度球頭銑刀首刀進(jìn)給量(mm/min)切削進(jìn)給量(mm/min)流道粗加工 16000100040002.52Φ3-6°錐度球頭銑刀前緣精加工 20000300050000.23Φ3-6°錐度球頭銑刀尾緣精加工 20000300050000.24Φ3-6°錐度球頭銑刀葉片精加工 20000300050000.25Φ3-6°錐度球頭銑刀流道精加工 20000100050000.3

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圖7 基于NX的各工序刀具軌跡規(guī)劃
Fig.7Tool Path Planning of Each Working Procedure Based on NX

葉輪前尾緣精加工所得零件的刀具軌跡仿真圖,如圖8所示。

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圖8 前、尾緣精加工刀具軌跡仿真
Fig.8Tool Path Simulation for Finishing of Leading Edge and Trailing Edge

將刀軌轉(zhuǎn)換成機(jī)床可識(shí)別的NC代碼文件,在FIDIA HS664RT搖籃式高速五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上進(jìn)行零件切削試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)精車(chē)及去應(yīng)力的6061鋁合金鍛壓葉輪毛坯件通過(guò)三爪卡盤(pán)及芯軸定位裝夾于機(jī)床工作臺(tái)表面,百分表找平及找正葉輪毛坯徑向跳動(dòng)量≤0.02mm,冷卻方式采用大量冷卻液沖洗,以及時(shí)清除切屑保障切削力指向性,確保良好的切削效果和刀具使用壽命。部分NC代碼及實(shí)驗(yàn),如圖9所示。

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圖9 部分NC代碼及切削試驗(yàn)
Fig.9The Cutting Test and Part of the NC Code

經(jīng)3D掃描檢測(cè)后使用Geomagic軟件逆向重建整體葉輪模型,將其與NX中用于刀具軌跡規(guī)劃的模型進(jìn)行曲面輪廓重合度對(duì)比。對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后,可得到整體葉輪零件的加工誤差數(shù)據(jù),與原工藝對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),曲面加工最大誤差由原0.304mm減小至0.122mm,平均誤差也由0.11mm減小至0.053mm,最大誤差優(yōu)化率為59.87%,平均誤差優(yōu)化率51.81%。

表3 優(yōu)化前后最大誤差對(duì)比
Tab.3Max Error Before Optimization and After Optimization

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名稱(chēng) 數(shù)值優(yōu)化前最大誤差 0.304mm優(yōu)化前平均誤差 0.11mm優(yōu)化后最大誤差 0.122mm優(yōu)化后平均誤差 0.053mm最大誤差優(yōu)化率 59.87%平均誤差優(yōu)化率 51.81%