壓氣機葉片型面精密數控銑加工技術運用分析

張玲麗 黃艷云

中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽 合肥 230088

引言

葉片是航空發(fā)動機的重要零部件，具有種類多、數量大、型面復雜、精準度要求高的特點，在傳統意義上壓氣機葉片型面加工過程中，數控銑后型面會殘留0.2m的余量。這些余量會采用手工砂輪拋光的方式來去除，并在這個過程中依靠截面樣板來將檢測葉片截面尺寸大小。在這樣操作背景下壓氣機葉片型面的截面尺寸難以被有效控制，在設計的過程中容易出現設計超差，最終影響發(fā)動機的性能。為了能夠解決這個問題，文章針對弱剛性葉片的使用局限提出了關乎其工藝、工裝、數控加工模型、數控程序編制和檢測等方面的改進措施，最終提升了壓氣機葉片型面的精細化加工水平。

1 壓氣機葉片型面葉片結構的基本特點分析

文章所選擇的葉片材料為GH2132合金，葉片的總體長度為121mm，葉身型面部分長度為77.85mm，弦寬在26mm到27mm之間，截面的最大長度為2.22mm。弱鋼性葉片加工的最大特點是切削散熱性比較差，在使用的過程中刀具磨損速度比較快，加上受葉片剛性不足的影響，在加工進排氣邊附近型面的時候會出現欠切的效應，加工的過程中也容易出現較大的加工變形，葉身型面位置度、扭轉公差保證起來十分困難。在加工的過程中要求葉身被控制在5mm范圍內，型面的基本輪廓公差為0.06mm，型面其他部分輪廓度公差為0.12mm，在加工過程中各個截面的位置度不能夠超過0.1。壓氣機葉片型面切削加工的基本特點分析[1]：第一，切削加工性能較差。由于合金中的強化相比較多，由此決定壓氣機葉片的熱強性能良好，切削加工性能較差。第二，切削力量較大。壓氣機葉片在較高的溫度環(huán)境下仍然會具備較高的物理機械性能，由此產生的切削力量會增大。第三，切削變形較大。在高溫的環(huán)境下設，合金組織中會含有較多的奧氏體組織，奧氏體組織作用下會使得壓片機更容易出現塑性變形。第四，加工硬化現象嚴重。高溫合金的硬度不高，因為切削操作會出現塑性變形，在發(fā)生塑性變形之后還會出現比較嚴重的晶體扭曲現象，伴隨會使得已經加工完成的表面出現冷作硬化。另外，在切削高應力和高溫度的影響下，合金中的強化相會從固溶體中溶解出來，最終會提升材料的加工強度和加工硬度。

2 葉片結構和材料特點對型面切削加工精準度的影響分析

葉片型面切削加工操作在受到零部件薄壁弱剛性性質和材料切削加工性能、刀具磨損的情況下會出現因為切削力量和殘余應力的變化而出現一系列的變形問題，在出現這些變形問題之后會使得具備復雜空間曲面性質的型面輪廓幾何精準度無法被保障。葉片結構和材料基本特點對型面切斜加工精準度產生的影響表現如下[2]：

第一，葉片型面所具備的薄壁性質會使得葉片本身會出現因為定位不精準而引發(fā)的切削力量較大或者切削力量變形。型面曲面性質作用下的切削加工處理方式也會使得弱剛性的型面在扭矩力量傳遞的過程中深受變形影響。第二，葉片上的鈦合金、高溫合金加工材料均具備難以切削的性質。刀具在使用的過程中會在不斷磨損的過程中而出現切削性能不斷降低的發(fā)展趨勢。第三，葉片在進行批量性毛坯加工鍛造和熱處理的過程中，個體葉片受切削力量和殘留力量心梗不同的影響，其對剛性薄弱和幾何精準度會產生比較大的影響，在實施操作的時候對工藝控制因素也會提出較高的要求。

3 原有加工制造技術的應用局限

在最開始引進數控銑制造技術的時候，受制造工藝編排經驗不充分的影響，對于一些容易變形的航空發(fā)動機葉片，特別是高溫合金材質類型的葉片，在數控銑削加工變形規(guī)律、加工操作程序、參數確定、刀具耐用磨損等方面的經驗比較少，在具體實施的時候僅僅能夠實現葉身型面小余量的銑削加工，數控銑后的余量需要被控制在0.1mm到0.2mm之間。按照以上工藝對葉身型面完成拋光后對坐標參數實施三次測量，通過對測量結果分析之后發(fā)現，原有制造技術在使用的時候主要存在以下幾個方面的問題：數控銑的型面輪廓度比較差，加工操作既存在型面輪廓度差的問題，又存在增厚超差的問題；進排氣邊存在方頭。

4 葉身型面以及進排氣邊精密加工措施

4.1 工藝路線的優(yōu)化

傳統意義上的葉片加工操作會使用專門的編程軟件生成螺旋形刀具軌跡，銑加工葉身型面的時候，葉身型面在切削力的作用下會產生變形。切削力可以被劃分為沿葉身形面刀位點切向的切削力、沿葉身型面法的切削力兩個部分。在切削處理的時候，fF是主切削力，在始終壓向葉身型面，銑削葉身型面，由于整個法向切削力的作用會使得工件產生一定的扭轉位移量，在產生位移變量之后葉身型面出現彎曲變形。

通過開展小批量葉片試驗加工對葉片型面的精細化、粗略化加工工序進行分析，采取適合的工藝方法對葉片進行加工，分析截面位置度和扭轉的數值大小。通過采取精細化、粗略化加工的方式來去除型面多余量，在型面數控銑加工之前開展基準修復，由此在最大限度上降低型面加工彎曲變形現象的發(fā)生，保證各個截面的位置度和扭轉要求符合規(guī)范的標準。在葉身型面完成毛氈修光去除痕跡之后計算葉身型面的公差數值。

4.2 葉片型面精密銑削加工裝備技術和設備的選擇

關于葉片型面精密銑削加工定位基準和壓緊方式的選擇來說，當前，社會領域所產生的共識是，在具體施工操作的時候要避免采用葉片型面尾端部位的頂尖孔定位和沿軸向頂緊的加工處理方式。為了能夠保證檢測的精準性，一般會選擇兩個和軸向方向互相垂直的兩個平面，在選定好平面之后沿著平面進行壓緊處理。

4.3 數控銑夾具的優(yōu)化設計

4.3.1 原有數控銑的夾具結構。原有數控銑夾具結構存在以下幾個方面的問題[3]：在壓緊螺栓2壓緊角向定位稍的時候，對葉片實施角定位能夠降低壓偏處理，而在壓緊螺栓一帶動壓塊壓緊軸頸之后不僅不能夠順利糾正葉片的葉片的偏移傾斜， 在兩個壓緊螺栓松緊不一致的情況下會帶動角向定位銷的扭轉，最終會造成葉片角向扭轉，導致葉片在裝夾結束之后處于偏斜和扭轉的位置上。不僅如此，在具體實施操作時葉片定位和裝夾需要采取三個螺栓固定化處理，受螺栓規(guī)格大小不同的影響，在具體裝夾操作的時候會需要使用兩個類型的扳手，工作效率低下。

4.3.2 優(yōu)化后的數控銑夾具結構。原數控銑夾具在使用的過程中容易出現以下幾個方面的問題：第一，在壓緊螺栓2壓緊角向定位稍的時候要對葉片的角向定位進行壓偏處理，在壓緊螺栓1帶動壓塊壓緊軸頸之后，不僅不能夠糾正葉片的偏斜，加上兩個壓緊螺栓松緊不一致，會帶動角向定位稍扭轉，由此會造成葉片角向扭轉，由此會使得葉片在裝夾結束之后處于偏斜的位置。另外，葉片的定位和裝夾需要緊固三個螺栓，在這三個螺栓的設置中一般會存在兩個規(guī)格大小。

針對之前數控銑具的缺點對其進行更深入的改進，一方面，需要專門設計角向定位機構，在進行角向定位之后在軸頸方向滑動，并將其和壓緊機構分離，軸頸壓緊機構緊緊依靠螺栓推動壓緊鉤，對壓緊的部位實施軸頸壓緊處理。經過改進之后，不管角向鎖緊螺釘鎖緊力如何，在達到鎖緊力以上狀態(tài)的時候，葉片就能夠完成軸頸角向定位，在這個過程中對軸頸壓緊方向不會產生影響，其仍然能夠實現自由滑動。在不受其他作用力影響的情況下能夠精準地將軸頸壓緊在具體的夾具上。

4.4 加工模型逆向補償和程序的分組優(yōu)化處理

4.4.1 加工模型補償前的問題以及問題對策。考慮到葉片截面輪廓呈現出邊緣薄、中間厚以及高溫合金本身難以被切割的現象，在數控銑削型面邊緣位置上會因為剛性不足而出現“讓刀”的現象。此處位置上輪廓厚度要比輪廓最小數值大0.03mm，在0.06mm輪廓范圍的基礎上會呈現出0.03mm的余度范圍，但是在這個過程中刀長度檢測誤差、主軸熱伸長誤差和刀具本身的誤差接近0.02mm，由此會產生數控銑后型面輪廓度增厚或者減薄超差的問題。為了能夠解決這個問題，要對加工模型實施逆向誤差補償，對葉身截面型線的坐標進行調整。在每組刀具上加工四個葉片，并分別對第一件到第四件葉片進行進排氣邊緣為5mm的厚度比對分析，通過數據綜合比對分析來評價加工質量的穩(wěn)定與否。在具體實施操作的時候分別采取一組刀具加工的第二件至第四件葉片各截面實測數據，將監(jiān)測獲得的數據信息和理論數據進行綜合對比，在進行一系列綜合對比之后獲得各個點的補償數值，并在模型數據點y值坐標上進行補償處理，單個截面型面輪廓數據補償之后利用所有新截面生成補償后的模型進行編程。

4.4.2 單個葉片型面中間厚、兩側薄的問題以及問題對策。在整個型面輪廓精銑過程中，由于兩端截面靠近裝夾部位，由此使得葉片對支撐剛性比較好。型面輪廓基本上可以按照程序的數值來進行加工處理。但是在靠近中間部位截面上的時候葉片的支撐剛性較差，截面厚度和兩邊的截面會出現0.02mm增厚偏差。

針對這個問題可以采取以下的措施來進行解決：以中間截面最大截面偏差來作為基本參考標準，其他截面的最大厚度的偏差和VII截面進行對于比。差值是整個截面輪廓的厚度補償值，一般通過對單個截面線進行偏置處理，和對加工模型截面誤差產生的補償處理相比，通過補償各個截面的設定能夠更好地優(yōu)化型面截面厚度。

4.4.3 數控程序采取分組優(yōu)化的對策。通過必要的程序分組處理來保證同組道具型面加工的精準度和穩(wěn)定度。從加工第二件葉片開始，逐漸減少型面的程序余量，比如第二件型面的余量降低為0.03mm，并在降低處理之后通過主程序來進行調用。

4.4.4 型面檢測方法的改進。樣板測量方法雖然是一種定量測量方式，在具體測量的時候要將精準數值范圍控制在0.1mm以內，在數值控制不夠精準的情況下是無法獲得精準的數據信息。一般在型面粗銑工序加工應用的時候，型面檢測的優(yōu)勢作用會進一步凸顯出來。和傳統加工相比，在葉身型面和進、排氣邊緣實現精密銑削加工操作的時候會沿用多年的型面和進、排氣邊緣在實現精密銑削加工處理之后，如果一味地使用傳統測量方式將無法達到理想的測量效果。

4.5 試驗結果分析

在完成葉身型面模型、加工程序、加工參數的優(yōu)化處理之后按照改進后的加工程序完成近十臺葉片的型面精銑加工，90%以上的葉片葉身型面的余量會被控制在0.02mm以內，截面的位置度和扭轉公差會滿足整個工藝流程的要求。在對每組新刀加工第一件葉片到第四件葉片模型逆向補償分析之后我們會發(fā)現，經過10臺份葉片加工檢驗分析之后發(fā)現，單件葉片型面精銑時間降低了50%，在真正意義上實現了精品葉片的深加工。

5 結束語

綜上所述，切換可行的制造工藝和關鍵工裝設計能夠有效提升葉片型面精密數控銑削加工質量，采用數控銑加工技術還能夠實現航空發(fā)動機壓氣機葉片型面的精細化銑削處理，在使用程序分組技術和模型優(yōu)化技術加工之后能夠提升葉片加工的精細化水平。