靜子葉片葉身型面數(shù)控加工技術(shù)研究

雷瑤 王松

摘 要：葉片的制造技術(shù)是透平機(jī)械制造業(yè)中的主要技術(shù)之一。葉片的制造水平在一定程度上反映了發(fā)動(dòng)機(jī)的制造水平。葉片的加工工藝水平可用葉片型面的加工水平來衡量。本文介紹了葉片葉身型面數(shù)控加工的要點(diǎn)進(jìn)行分析，為今后葉身型面數(shù)控加工技術(shù)在壓氣機(jī)葉片加工中的推廣應(yīng)用、改進(jìn)發(fā)展，打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：葉片；數(shù)控加工；切削刀具

中圖分類號：TK416 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零件，對航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能，壽命影響很大。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高、尺寸精度要求嚴(yán)格。葉片類零件的葉身加工的傳統(tǒng)加工方法眾多，如大余量手工拋光、靠模車、砂帶磨、電解和靠模銑等，但是這些加工方法共同的缺點(diǎn)是最終余量大，還必須靠手工的精拋光達(dá)到工藝圖紙的要求，而這會(huì)帶來型面燒傷、變形、波紋度大、一致性差以及加工效率低下等問題。隨著技術(shù)的發(fā)展， 精密鍛造、數(shù)控電解、數(shù)控銑等加工方法成為葉片類零件小余量或無余量加工的重要手段。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)技改的資金投入，國內(nèi)眾多葉片加工企業(yè)擁有了國際上先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，使利用數(shù)控機(jī)床精加工葉片成為可能，目前國內(nèi)葉片類零件已廣泛采取數(shù)控加工的方法加工。但由于數(shù)控加工技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用的時(shí)間較短，葉片的數(shù)控加工還存在許多關(guān)鍵技術(shù)沒能很好解決，使葉片的無余量數(shù)控加工存在著較大的困難。通過本課題的研究，利用現(xiàn)有葉片加工的成功經(jīng)驗(yàn)，通過優(yōu)化加工工藝、設(shè)計(jì)新型夾具、調(diào)整切削參數(shù)、優(yōu)化數(shù)控加工程序等方面研究和試驗(yàn)，形成一套葉片精密數(shù)控加工的成熟工藝規(guī)范，進(jìn)而改變目前葉片數(shù)控加工余量大的狀況，提高葉片加工的質(zhì)量和效率，滿足新型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的制造技術(shù)需要。

1 靜子葉片型面數(shù)控加工

某靜子葉片為鈦合金材料的雙軸頸型葉片，形狀如圖1所示。型面數(shù)控加工的設(shè)備采用的是五坐標(biāo)高速立銑。該設(shè)備尾座處配備有與A軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)的U軸，在葉片的數(shù)控加工中起到很好的作用。最高轉(zhuǎn)速15000r/min，用來加工最長到700mm的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片以及汽輪機(jī)和壓氣機(jī)葉片。為了達(dá)到設(shè)計(jì)圖中對型面和邊緣要求的輪廓度和尺寸要求，數(shù)控加工應(yīng)有：粗加工、半精加工和精加工。

2.1 型面粗加工

粗加工是葉片精加工前的準(zhǔn)備工作，去除葉片毛料型面留下的較多的余量和修整葉片型面的形狀。一般情況下粗加工留余量為0.3 mm。

2.2 型面半精加工

半精加工是精加工的準(zhǔn)備工作。半精加工目的是為了進(jìn)一步休整型面、排除波紋、減少型面余量。半精加工型面留余量0.1 mm。

2.3 型面精加工

精加工是在半精加工的基礎(chǔ)上去除型面余量，使其達(dá)到規(guī)定的圖紙技術(shù)要求和尺寸精度的要求。

葉片型面的數(shù)控加工為機(jī)械去除形式。加工過程中葉片受力會(huì)產(chǎn)生變形，影響加工結(jié)果，造成葉片型面不符合圖紙技術(shù)要求和尺寸精度的要求。

3 影響加工結(jié)果的討論與分析

3.1 影響葉片型面變形的原因分析

根據(jù)試驗(yàn)加工情況，結(jié)合葉片數(shù)控加工的特點(diǎn)，葉身型面數(shù)控加工時(shí)發(fā)生變形的主要原因有：

（1）葉片毛料為模鍛件，葉片內(nèi)部內(nèi)應(yīng)力較大。型面加工后內(nèi)應(yīng)力得以釋放，此葉片葉身型面彎曲度較大，釋放的內(nèi)應(yīng)力會(huì)使葉身型面造成較大的變形。通過在加工中摸索型面變形的規(guī)律相應(yīng)的調(diào)整加工程序，解決型面變形問題。

（2）加工過程中刀具切削會(huì)產(chǎn)生徑向切削力。在切深較大時(shí)，徑向切削力也會(huì)加大。葉片進(jìn)排氣邊緣很薄，大的徑向切削力會(huì)使葉片葉身進(jìn)排氣邊緣變形。在切深較小時(shí)，鈦合金材料讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重，也會(huì)使葉身型面產(chǎn)生變形。因此，需要選擇合理的切深，既避免大的徑向切削力使葉片葉身進(jìn)排氣邊緣變形，也避免讓刀現(xiàn)象使葉身型面產(chǎn)生變形。

3.2 影響葉身型面加工精度的原因分析

經(jīng)攻關(guān)發(fā)現(xiàn)影響葉身型面加工精度的原因主要是：夾具旋轉(zhuǎn)中心與機(jī)床旋轉(zhuǎn)中心不一致，這是造成葉身型面加工不合格的主要原因。造成中心不一致的原因有多方面，一是數(shù)控銑夾具制造誤差，導(dǎo)致夾具中心與機(jī)床中心可能有偏移；二是數(shù)控銑夾具和機(jī)床裝配造成誤差。

4 避免變形的數(shù)控加工方法選擇及加工試驗(yàn)

4.1 夾具的選擇

在傳統(tǒng)的加工方法中使用兩端頂尖定位夾緊進(jìn)行加工，由于葉片材料和形狀的原因，在去除大部分余量后葉片剛性下降，葉片出現(xiàn)彎曲，致使葉片加工后余量不一致。因此，在設(shè)計(jì)夾具時(shí)，需要解決這個(gè)問題。我們改變了葉片的定位夾緊方法，將兩頂尖定位夾緊改為用兩端軸頸定位夾緊。這種定位方法可以有效地提高葉片加工強(qiáng)度，減少葉片加工變形，達(dá)到葉片精密加工的要求。

4.2 刀具的選擇

在進(jìn)行數(shù)控銑加工時(shí)，必須根據(jù)切削葉片的部位、粗精加工和切削材料合理地選擇刀具和切削參數(shù)，以提高加工質(zhì)量、刀具的使用壽命、切削效率，同時(shí)減小葉片變形。

銑加工型面時(shí)，采用Ф20R1硬質(zhì)合金端銑刀。此刀適用于高速銑精加工，專門用于加工鈦合金材料的銑刀。理論上，球頭刀和端銑刀均可用于曲面的精加工，之所以選擇帶R角的端銑刀，是因?yàn)樗诒砻婕庸べ|(zhì)量和切削效率方面均優(yōu)于球頭刀。因此，只要在保證不過切的前提下，無論是曲面的粗加工，還是精加工，都優(yōu)先選擇端銑刀。

銑加工安裝板時(shí)，先采用Ф16R8硬質(zhì)合金成形刀加工去除粗加工所留余量，再采用Ф8R4硬質(zhì)合金成形刀以便加工出葉身與緣板轉(zhuǎn)接處R，即用于清根。在表面質(zhì)量不變的情況下，使用較大半徑的球頭硬質(zhì)合金成形刀加工可以縮短加工時(shí)間，提高刀具耐用度。

4.3 切削加工用量選擇

高速切削加工用量的確定主要考慮加工效率，加工表面質(zhì)量，刀具磨損以及加工成本。一般原則是中等的每齒進(jìn)給量fz，較小的軸向切深ap，適當(dāng)大的徑向切深ae，高的切削速度。根據(jù)實(shí)際選用的刀具和加工對象，參考刀具廠商提供的加工用量選擇，參考高速銑削理論計(jì)算公式，最終確定了葉身型面加工使用的切削參數(shù)。以Ф20R1端銑刀精加工葉身為例：刀具直徑Ф=20 mm；齒數(shù)nz=4；切削步距ae= 3 mm；切削深度ap=0.3 mm；每齒進(jìn)給量fz=0.09 mm；鈦合金切削速度vc=100m/min；主軸轉(zhuǎn)數(shù)S=1600r/min；進(jìn)給率f=650mm/min。

結(jié)論

結(jié)果表明，此次試驗(yàn)使用的夾具結(jié)構(gòu)、粗精加工工藝、數(shù)控加工程序和切削參數(shù)是合理的，實(shí)現(xiàn)了靜子葉片葉身數(shù)控?zé)o余量加工，可做到葉片型面不變形、葉身型面及上、下安裝板內(nèi)側(cè)面尺寸精度滿足設(shè)計(jì)要求。為進(jìn)一步提高葉片葉身型面數(shù)控加工技術(shù)，充分發(fā)揮數(shù)控銑床的優(yōu)越性、穩(wěn)定性和高精度，必須在充分吸取此次試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的數(shù)控銑夾具和程序進(jìn)一步完善，以提高零件的制造精度和質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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