摘 要：針對超薄結(jié)構(gòu)葉片整體葉輪在制造過程中產(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對實際生產(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，檢測得到最大誤差優(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，對具有類似結(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
整體葉輪作為動力推進(jìn)系統(tǒng)及環(huán)控系統(tǒng)中核心零、部件，對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)計越來越復(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，精度要求亦不斷提高，對于擁有大量復(fù)雜曲面的整體葉輪系零件，整個工藝過程中材料去除率達(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。在整個切削加工過程中，受到夾持力、切削力、切削振動、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，在加工過程中超薄葉片的變形問題成為一個亟需解決的難題，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扭曲曲面薄壁零件制造進(jìn)行有限元模擬的方法，將相對誤差控制在20%以內(nèi)。文獻(xiàn)[2]針對薄壁件在制造過程中會產(chǎn)生彈性形變的特點(diǎn)，建立了制造過程中變形量與各因素間的預(yù)測模型。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)弧各個點(diǎn)對葉片變形的影響規(guī)律，建立了薄壁葉片加工過程中變形量與各因素之間的預(yù)測模型。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]針對整體葉輪車銑復(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]利用軟件對航空發(fā)動機(jī)葉片在加工過程中的變形情況進(jìn)行了有限元模擬，并在程序中進(jìn)行了變形量補(bǔ)償，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)葉片加工誤差的離線補(bǔ)償；文獻(xiàn)[7]對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)械加工過程的物理建模研究。通過有限元軟件對葉片的變形趨勢進(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)行試驗驗證，較好地還原其設(shè)計理念，滿足技術(shù)文件的要求。
2.1 銑削力經(jīng)驗公式
采用球頭立銑刀銑削力模型經(jīng)驗公式的銑削力建模。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：
式中：Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z—三個方向銑削力 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
項目 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]：
2.2 葉片變形有限元分析
基于NX的有限元分析需對復(fù)雜曲面整體葉輪零件進(jìn)行簡化，由于葉輪回轉(zhuǎn)體零件的葉片徑向均布，故使用單一葉片來替代整個葉輪進(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），葉片的橫截面線方向為v向，葉片高度方向為u向，將v方向上連續(xù)的刀具運(yùn)動軌跡離散成11個切削位置；葉片高度u向離散成10個切削位置。依據(jù)上述球頭刀銑削力模型，計算x，y，z三個方向的銑削力大小，將每個刀具觸點(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，求解器對變形前后的位移坐標(biāo)進(jìn)行計算后得到葉片的變形規(guī)律，如圖1所示。
圖1 基于NX的葉輪葉片有限元分析
Fig.1The FEA of Impeller Blade Based on NX
繪制的葉片變形趨勢圖，如圖2所示。葉冠曲線為u=1線，葉根曲線為u=10線。在葉冠曲線中，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；葉根曲線中，兩個最大的變形量出現(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。對同一張葉片不同行但代號相同的所有節(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。
圖2 葉輪葉片v向變形趨勢
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)對比的衰減速度均在0.09以下；相同位置的葉根曲線中，衰減速度最大為兩個葉邊緣的kmax1=0.8333和kmax2=0.7，其余的衰減速度為均在0.5以下；平均變形量曲線中，兩個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。
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。
4.1 一種非均勻余量銑削工藝設(shè)計
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，一個葉片除其前緣、尾緣的變形量最大之外，整個葉片靠近前緣、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候先被加工至技術(shù)文件要求的尺寸，再對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。
圖4 非均勻余量預(yù)留方案
Fig.4The Scheme of Non-Uniform Stock
圖5 優(yōu)化后整體葉輪制造工藝路線
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的傾斜角度，往復(fù)上升的驅(qū)動方式可以使刀具在每刀切削銜接時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、流線等9種驅(qū)動方法，可對預(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)、最大步長參數(shù)、工件內(nèi)/外公差參數(shù)等在保證切削效率的同時可盡量選擇較小的數(shù)值，這樣會使變化劇烈的拐角處增加許多過度的刀位，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。基于NX的葉片前、尾緣精加工刀具軌跡規(guī)劃，如圖6所示。
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
使用實際生產(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
序號 刀具類型 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
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。
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)床可識別的NC代碼文件，在FIDIA HS664RT搖籃式高速五軸聯(lián)動加工中心上進(jìn)行零件切削試驗。經(jīng)過精車及去應(yīng)力的6061鋁合金鍛壓葉輪毛坯件通過三爪卡盤及芯軸定位裝夾于機(jī)床工作臺表面，百分表找平及找正葉輪毛坯徑向跳動量≤0.02mm，冷卻方式采用大量冷卻液沖洗，以及時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代碼及實驗，如圖9所示。
圖9 部分NC代碼及切削試驗
Fig.9The Cutting Test and Part of the NC Code
經(jīng)3D掃描檢測后使用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比。對檢測數(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)化前后最大誤差對比
Tab.3Max Error Before Optimization and After Optimization
名稱 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%