重型燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)葉片機(jī)械數(shù)控加工技術(shù)

金東學(xué)

（延邊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 裝備制造與智能控制系，吉林 延吉 133000）

由于葉片厚度不均勻、形狀不規(guī)則，加工過(guò)程中受到切削力后容易出現(xiàn)局部變形的情況，這是機(jī)械數(shù)控加工中引起葉片質(zhì)量缺陷的一種常見(jiàn)原因。在實(shí)際加工中要想提高葉片質(zhì)量，首先要通過(guò)開(kāi)展受力分析，掌握葉片不同位置的受力特點(diǎn)，然后針對(duì)應(yīng)力集中、變形量較大的區(qū)域，采取相應(yīng)的變形補(bǔ)償措施，從而達(dá)到提高加工精度、降低殘次品率的效果。目前常用的葉片變形補(bǔ)償方法有多種，例如修正刀位軌跡、優(yōu)化切削參數(shù)，或者使用反變形誤差補(bǔ)償技術(shù)等。采取合適的變形補(bǔ)償方法進(jìn)行葉片處理，也是提高產(chǎn)品加工質(zhì)量的關(guān)鍵舉措。

1 壓氣機(jī)葉片機(jī)械數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 加工刀具的選擇

葉片加工中所用刀具，應(yīng)根據(jù)毛坯材料的類(lèi)型、具體的加工參數(shù)、機(jī)床類(lèi)型等多種因素來(lái)決定。同時(shí)，不同刀具還會(huì)對(duì)切削過(guò)程中的切削力、切削熱、表面質(zhì)量等產(chǎn)生重要影響，因此刀具的選擇也是葉片加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。常規(guī)的圓柱形銑刀雖然能夠保證葉片表面光滑，但是刀尖容易磨損，頻繁更換刀頭除了會(huì)影響加工效率外，還會(huì)導(dǎo)致加工成本的上漲。球頭刀是廣泛應(yīng)用于航空航天零部件加工中的一種刀具，尤其適合曲面零件的精加工。將球頭刀應(yīng)用于壓氣機(jī)葉片加工中，在半精加工環(huán)節(jié)可以選擇常規(guī)銑刀高效去除余量，使葉片上出現(xiàn)加工殘余區(qū)；然后繼續(xù)進(jìn)行精加工，使用球頭刀去除殘余高度，獲得高質(zhì)量的葉片產(chǎn)品[1]。

1.2 走刀路徑的規(guī)劃

基于數(shù)控機(jī)床的葉片加工，可以借助于CAM 系統(tǒng)提前完成編程，并規(guī)劃好走刀軌跡。然后在計(jì)算機(jī)指令的控制下，讓機(jī)床刀具沿著既定的切削軌跡完成自動(dòng)加工。在規(guī)劃走刀路徑時(shí)，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注2 條軌跡：其一是球頭刀與葉片材料表面接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，即接觸軌跡；其二是球頭刀中心點(diǎn)的位置軌跡。技術(shù)人員在編寫(xiě)刀具運(yùn)動(dòng)控制程序時(shí)，可以先計(jì)算得出接觸軌跡，在根據(jù)接觸軌跡求得位置軌跡。最后，將一個(gè)預(yù)先設(shè)置的刀具位置速度的線性刀具位置線段實(shí)時(shí)輸入到CNC機(jī)床中。在機(jī)床中，插補(bǔ)器會(huì)將刀具位置軌跡轉(zhuǎn)換成3個(gè)正交軸方向的運(yùn)動(dòng)和2 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸方向的運(yùn)動(dòng)，從而在數(shù)控機(jī)床中精確定位工件和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。葉片的切削加工流程見(jiàn)圖1。

圖1 工件制造流程

1.3 葉片曲面加工誤差控制

壓氣機(jī)葉片為不規(guī)則的曲面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得機(jī)床切削加工葉片毛坯材料時(shí)容易發(fā)生誤差。引起加工誤差的原因有多種，除了葉片自身結(jié)構(gòu)這一因素外，像材料類(lèi)型、初始?xì)堄鄳?yīng)力、裝夾是否牢固、切削熱應(yīng)力等，也都是比較重要的影響因素。因此，壓氣機(jī)葉片的加工中必須要采取誤差控制技術(shù)。從應(yīng)用效果來(lái)看，一種方法是提高切削速度，例如使用高速銑削可以有效降低毛坯材料切削時(shí)產(chǎn)生的切削熱，降低工件殘余應(yīng)力，更容易提高表面加工質(zhì)量，減少葉片變形量。另一種方法則是選擇合理的走刀方式、科學(xué)設(shè)置加工參數(shù)。例如在滿(mǎn)足加工精度要求的前提下，盡量減少走刀程序、縮短走刀路徑，有助于提高加工質(zhì)量。除此之外，使用計(jì)算機(jī)有限元軟件構(gòu)建葉片模型，開(kāi)展仿真變形量計(jì)算，然后對(duì)加工變形進(jìn)行控制，也是目前比較實(shí)用的誤差控制方式[2]。

2 葉片加工過(guò)程中的變形分析

2.1 葉片模型的構(gòu)建

壓氣機(jī)葉片屬于薄壁自由曲面零件，由于其截面形狀并不規(guī)則，因此按照材料力學(xué)方法計(jì)算其慣性矩、慣性積比較復(fù)雜。為了減輕工作量，本研究對(duì)葉片模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將不規(guī)則形狀轉(zhuǎn)化為近似的規(guī)則的幾何形狀，然后運(yùn)用材料力學(xué)方法分析其受力特點(diǎn)，從而了解葉片在切削加工中所受的切削力以及變形情況。研究所用壓氣機(jī)葉片的基本參數(shù)如下：葉身長(zhǎng)度160 mm，葉片寬度48 mm，葉片最大厚度4.4 mm。簡(jiǎn)化后的葉片模型為沿著寬度方向的一系列細(xì)長(zhǎng)梁的集合。在壓氣機(jī)葉片的加工中，以榫頭作為定位基準(zhǔn)，刀具在葉身上螺旋走刀。所以整個(gè)切削中葉片工件主要發(fā)生彎曲變形、扭矩變形，以及彎扭結(jié)合變形。另外，為了消除無(wú)關(guān)變量的干擾，實(shí)驗(yàn)中假設(shè)葉片在機(jī)械數(shù)控加工過(guò)程中維持彈性變形狀態(tài)不變，并且葉片毛坯材料密度均勻。

2.2 葉片彎曲變形分析

簡(jiǎn)化后的葉片可以按照材料力學(xué)中懸臂梁結(jié)構(gòu)的受力模型展開(kāi)分析，其模型見(jiàn)圖2。

圖2 葉片結(jié)構(gòu)受力示意

當(dāng)?shù)毒吲c待加工毛坯材料接觸后，葉身與刀具接觸部位會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直于葉身的法向分力F，并且在該力的影響下發(fā)生輕微的彎曲變形。根據(jù)牛頓第三定律，在力F 的影響下，葉片會(huì)產(chǎn)生力矩M1，相應(yīng)的葉片榫頭部位產(chǎn)生一個(gè)與之同等大小、但是方向完全相反的力矩M0。此時(shí)葉片發(fā)生彎曲部位的變形量ω 可通過(guò)公式求出

式中：L 表示葉片長(zhǎng)度；x 表示刀具法向分力作用點(diǎn)與榫頭端面之間的直線距離；E 表示葉片材料的彈性模量；I 表示葉片截面慣性矩。在式（1）中，如果x 取最大值，即x=L，此時(shí)葉片曲面有最大的彎曲變形量（ωmax），可表示為

2.3 葉片扭轉(zhuǎn)變形分析

葉片受到切削力后，在葉片的不同位置發(fā)生的變形也存在較為明顯的差異。其中，葉尖位置因?yàn)橛旨?xì)又薄，故而此處扭轉(zhuǎn)變形最為明顯；葉片截面中間位置較寬、偏厚，扭轉(zhuǎn)變形量基本上可以忽略不計(jì)。由此可見(jiàn)，葉片加工過(guò)程中的扭轉(zhuǎn)變形量，主要取決于截面厚度、葉片寬度兩項(xiàng)因素。在假設(shè)葉片加工期間不發(fā)生塑性變形，并且使用簡(jiǎn)化模型進(jìn)行受力分析的情況下，計(jì)算葉片單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)變形量（θ）

式中：G 表示剪切模量；b 表示截面寬度；h 表示界面厚度；β 表示橫截面，如果葉片模型中b/h＞10，則β≈。參考彈性力學(xué)領(lǐng)域的扭轉(zhuǎn)位移公式，并帶入到式（3）中，則長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)變形量（θ1）的計(jì)算公式為

結(jié)合葉片切削加工時(shí)的受力分析可知，當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)葉尖邊緣時(shí)，葉片扭轉(zhuǎn)變形量最大。此時(shí)x=L，y=，則最大長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)變形量（θmax）可表示為

2.4 葉片彎扭組合變形分析

在葉片的加工過(guò)程中，受到相同的切削力后，葉片出現(xiàn)的彎曲變形與扭轉(zhuǎn)變形，其位移方向是相同的。但是葉片的彈性變形則是通過(guò)彎曲變形與扭轉(zhuǎn)變形相互疊加形成。因此，“彎曲-扭轉(zhuǎn)”組合變形（λ）公式可表示為

相應(yīng)的，當(dāng)葉片的葉尖位置有最大彎扭變形時(shí)，λmax可根據(jù)以下公式求出

結(jié)合葉片自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及受力情況，可知葉片變形量從根部到端部，呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。同時(shí)，葉尖位置由于較薄，加上受力最大，因此發(fā)生的變形情況也最為明顯。進(jìn)一步分析認(rèn)為，葉片的彎曲變形總體上符合線性分布規(guī)律[3]。

3 葉片機(jī)械數(shù)控加工中變形補(bǔ)償及過(guò)程仿真

3.1 葉片變形補(bǔ)償原理

對(duì)于葉片機(jī)械數(shù)控加工中產(chǎn)生的變形，可采取誤差補(bǔ)償技術(shù)達(dá)到提高加工精度、降低殘次品率的效果。誤差補(bǔ)償是采取修正、均化、鈍化等一系列方式，將實(shí)際誤差控制在允許范圍之內(nèi)。根據(jù)誤差補(bǔ)償內(nèi)容的不同，又可分為尺寸補(bǔ)償、形狀補(bǔ)償、位置差值補(bǔ)償?shù)热舾深?lèi)型；根據(jù)有無(wú)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，可以分為在線誤差補(bǔ)償和離線誤差補(bǔ)償?shù)阮?lèi)型。其中，在線誤差補(bǔ)償技術(shù)需要使用高靈敏度的監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片機(jī)械數(shù)控加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。通過(guò)工控機(jī)智能對(duì)比、分析加工過(guò)程中的誤差變形情況，自動(dòng)生成補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，確保最終產(chǎn)品滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)。其優(yōu)點(diǎn)在于補(bǔ)償效果好、加工精度高，但是缺點(diǎn)也比較明顯，例如成本高、實(shí)現(xiàn)難度大等。因此，本研究的葉片加工變形補(bǔ)償中選擇了離線誤差補(bǔ)償技術(shù)。其補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)途徑主要有3 種：

第一種是優(yōu)化切削參數(shù)，根據(jù)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料特征以及加工要求等，綜合考慮設(shè)定切削參數(shù)，包括切削速度、切削深度等。第二種是修正刀位軌跡，主要是通過(guò)靜態(tài)仿真的方式，模擬葉片的加工過(guò)程和走刀軌跡，在此基礎(chǔ)上得到切削力的具體值。然后在操作有限元軟件把荷載施加到葉片的刀位點(diǎn)上，求出變形量值。然后基于變形量數(shù)據(jù)開(kāi)展模擬，使用刀位修正法對(duì)刀位點(diǎn)進(jìn)行修正，使葉片的最終加工精度可以滿(mǎn)足要求。第三種是反變形誤差補(bǔ)償法，也是一種基于有限元分析的誤差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方式。在求出刀位點(diǎn)的誤差補(bǔ)償量后，修改初始刀位點(diǎn)并獲得新的刀位軌跡。將含有補(bǔ)償信息的刀位軌跡轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的程序編碼，由計(jì)算機(jī)指令控制完成切削加工，從而提高加工精度。反變形誤差補(bǔ)償?shù)脑硪?jiàn)圖3。

圖3 葉片變形補(bǔ)償原理

3.2 葉片加工仿真環(huán)境及參數(shù)設(shè)置

本研究選擇UG NX 軟件中的CAM 模塊開(kāi)展葉片模擬加工。其中，刀位軌跡規(guī)劃、數(shù)控加工程序在CAD/CAM 一體化數(shù)控編程系統(tǒng)中完成，然后根據(jù)編程生成葉片的幾何模型。CAM 軟件支持工件模型的自定義設(shè)置，可根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)需要手動(dòng)添加約束條件、切削用量等工藝參數(shù)[4]。

CAM 軟件的工具庫(kù)中有多種刀具可供選擇，用戶(hù)可從刀具庫(kù)中直接調(diào)用。本次仿真實(shí)驗(yàn)中選擇“球頭刀”，依次選擇“工具庫(kù)”-“選擇刀具”-“球頭刀（刀具設(shè)置）”選項(xiàng)，進(jìn)入到球頭刀的刀具設(shè)置頁(yè)面。在該頁(yè)面上將刀尖半徑設(shè)定為0.1 mm，可以最大程度上減小徑向切削力。完成刀具創(chuàng)建后，編輯葉片加工程序。選擇工序類(lèi)型“mill_multi_axis”后，再選擇工序子類(lèi)型，最后點(diǎn)擊“確定”保存設(shè)置內(nèi)容。通過(guò)UG NX 軟件可自動(dòng)生成葉片加工毛坯，在此基礎(chǔ)上依次開(kāi)展粗加工、半精加工和精加工。在加工參數(shù)設(shè)置中，將驅(qū)動(dòng)方式設(shè)置為“流線驅(qū)動(dòng)”，切削速度設(shè)定為1400 mm/s，切削深度設(shè)定為0.1 mm，每齒進(jìn)給量為0.1 mm/齒。

3.3 葉片加工仿真效果

在設(shè)置好葉片加工參數(shù)后，可以對(duì)葉片加工過(guò)程進(jìn)行仿真。根據(jù)仿真加工所得模型來(lái)看，本次仿真設(shè)計(jì)中加工參數(shù)的設(shè)定可以滿(mǎn)足葉片加工精度要求。葉片表面整齊、光滑，零余量加工完畢后也葉片表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)未切除的切削殘余高度。根據(jù)這一仿真結(jié)果，驗(yàn)證了本次仿真實(shí)驗(yàn)中刀具選擇、刀具半徑設(shè)置等均滿(mǎn)足加工要求[5]。該程序可直接導(dǎo)入到數(shù)控機(jī)床的工控機(jī)中，按照該程序進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，保證加工出來(lái)的葉片在精度上滿(mǎn)足使用要求。

4 結(jié)論

壓氣機(jī)葉片為不規(guī)則工件，在生產(chǎn)制造時(shí)極易因?yàn)槭芰Σ痪鶆蚨绊懭~片加工精度，進(jìn)而導(dǎo)致葉片高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)異常振動(dòng)等故障，影響壓氣機(jī)的正常運(yùn)行。通過(guò)構(gòu)建葉片立體模型，并展開(kāi)葉片受力有限元分析，可以查明葉片在切削加工過(guò)程中的受力情況。分析認(rèn)為，葉尖處的彎曲變形量、扭轉(zhuǎn)變形量以及彎扭組合變形量最大，容易發(fā)生變形。因此，在葉片邊緣加工時(shí)需要采取變形補(bǔ)償技術(shù)。本研究提出了一種反變形誤差補(bǔ)償法，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法的實(shí)用效果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明葉片模型變形量較小，加工精度達(dá)到要求。在壓氣機(jī)葉片機(jī)械數(shù)控加工中，使用該技術(shù)進(jìn)行變形補(bǔ)償可顯著提高葉片加工精度。