航空發(fā)動機整體葉盤的五軸數(shù)控加工工藝研究

江 熒，江 睿，董 銘

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學院 智能制造學院，安徽 蕪湖 241006；2.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 430070)

0 引言

整體葉盤作為航空發(fā)動機上的核心零部件，其加工質(zhì)量直接影響空氣動力性能、機械效率以及運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。在整體葉盤的加工專用軟件開發(fā)、加工工藝研究與應用技術(shù)方面，國內(nèi)距國際先進水平尚有差距[1]，尤其在窄槽道、小輪轂比高性能、高精度整體葉盤仍存在制造水平與加工效率低的問題。進一步研究高性能整體葉盤的加工技術(shù)就顯得相當重要，是航空制造行業(yè)中的重要課題。筆者利用二次開發(fā)的Cimatron軟件整體葉盤的加工工藝進行研究，分析航發(fā)整體葉盤常用材料的加工工藝特點、整體葉盤加工工藝規(guī)范、數(shù)控加工工藝與編程方法，并通過具體案例總結(jié)出五軸點位鉆孔、3+2五軸定位型腔銑相結(jié)合的葉盤槽道粗加工策略及葉盤五軸加工時刀軸矢量控制方法等，以期為工程實際應用提供參考。

1 整體葉盤典型材料的加工工藝分析

由于葉盤工作在高溫、高壓的氣體介質(zhì)中，受到氣體沖刷、離心力以及復合振動等性質(zhì)的交變應力作用，因此其材料必須具有質(zhì)輕、高強度、高耐疲勞性以及耐腐蝕性等綜合性能。葉盤材料從而呈現(xiàn)了復雜的難加工特性，也導致了加工后的葉盤尺寸精度和粗糙度難以保證。下面將先從常見的葉盤加工材料：不銹鋼、鈦合金和鋁合金三種材料來探討整體葉盤材料的加工特性以及加工工藝規(guī)范。

1.1 不銹鋼

1.1.1 不銹鋼材料特點及加工特性

不銹鋼具有良好的耐腐蝕性和抗氧化性；其線膨脹系數(shù)約為碳素鋼的1.5倍，易產(chǎn)生熱變形而影響加工精度；加工硬化性強，切削力大，切削溫度高，刀具磨損大；切屑與刀具粘結(jié)現(xiàn)象嚴重，容易造成刀具表面剝落，容易形成積屑瘤，使已加工表面粗糙度增大；切屑不易卷曲和折斷，容易形成切削堵塞現(xiàn)象，擠壞和劃傷已加工表面，增大表面粗糙度，甚至崩壞刀刃。

1.1.2 加工措施

(1)采用較大前角和較大后角，前角一般為12 °～30 °，后角一般為8 °～10 °，以減小切削變形及后刀面的摩擦，封閉容屑刀具應增大容屑空間；

(2)采用冷卻、潤滑和抗粘結(jié)性好的切削液。應選用含S、CL等極壓添加劑的乳化液，硫化油和四氯化碳，煤油和油酸混合液等切削液[2]；

(3)切削深度和進給量不宜過小。宜采用較慢或極低的切削速度，避免產(chǎn)生積屑。其主要加工工藝參數(shù)見表1。

1.2 鈦合金

1.2.1 鈦合金材料特點及加工特性

鈦合金具有強度高、中溫性能好、耐腐蝕、熱導率低與化學活性高等特點；切削加工時刀尖溫升快，易于磨損，粘刀現(xiàn)象嚴重；可進行磨削加工，但因被磨表面易于加工硬化，磨削加工性較差，容易產(chǎn)生燒傷、波紋和擠裂[2]。

1.2.2 鈦合金加工措施

(1)刀具材料宜采用碳化鎢類而不要采用碳化鈦類的硬質(zhì)合金；

(2)刀具前角為5 °～8 °，后角為10 °～15 °；

(3)磨輪材料宜選用綠色碳化硅；

(4)切削液應選用極壓添加劑水溶性或極壓乳化劑切削液；

(5)切削速度應比一般切削鋼低，切削深度和走刀量要適當加大。其主要加工工藝參數(shù)見表2。

表1 不銹鋼整體葉盤主要加工工藝參數(shù)

表2 鈦合金整體葉盤主要加工工藝參數(shù)

1.3 鋁合金

1.3.1 鋁合金材料特點及加工特性

鋁是一種密度小、塑性高、化學穩(wěn)定性好的金屬；與鋼鐵相比，具有比強度和比剛度高特點；易于成型、切削性能好、成本低和耐腐。整體葉盤一般采用鍛造鋁合金，具有較好的機械加工性能，但加工時容易產(chǎn)生變形而影響加工精度，應特別注意裝卡力、切削力以及熱變形的控制。

1.3.2 鋁合金加工措施

(1)為了較好地控制鋁合金在加工中的變形，一般可采用增加裝夾工藝延長段，提高零件的裝夾剛性，以及增加中間穩(wěn)定熱處理的輔助工序，采用深冷穩(wěn)定熱處理后再進行精加工，控制零件變形；

(2)鋁合金具有良好的切削性能，加工時可以選擇較大的切削速度、切削進給量和切削深度。其主要加工工藝參數(shù)見表3。

表3 鋁合金整體葉盤主要加工工藝參數(shù)

2 整體葉盤機械加工工藝路線

在深入了解材料特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合高性能整體葉盤的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點與各項性能指標，制定出如下所示的工藝路線。

2.1 基本工藝路線

備料→理化檢驗→粗車→熱處理→理化檢驗→數(shù)控車→萬能磨→平磨→精鏜→鉗→插齒→鉗→數(shù)控車→檢驗→五軸加工→計量→拋光→計量→數(shù)控車→動平衡→檢驗

2.2 數(shù)控銑削工藝路線

槽道(型腔)粗加工→輪轂粗加工→葉片型面粗加工→葉片型面精加工→輪轂精加工→輪轂根部清根→葉片圓角清根

3 整體葉盤數(shù)控加工工藝與編程方法

由于葉盤葉型曲面空間扭曲，且三軸加工中心的刀具相對于工件位姿角不變，因此，加工整體葉盤的數(shù)控機床多采用具有四、五軸聯(lián)動的數(shù)控機床。其運動坐標包括3個移動坐標軸X、Y、Z和2個轉(zhuǎn)動坐標軸A、C或B、C。五軸數(shù)控加工編程相對于三軸機床編程來說，除了需要考慮直線運動編程，還需要協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運動編制數(shù)控程序。其編程結(jié)果取決于工程技術(shù)人員的編程技能和方法，不同技能和方法所編制的加工程序精度也有很大區(qū)別。編程過程中，刀具軸方位、刀具空間和刀尖點位三者需要相互協(xié)調(diào)、精準控制，才能使刀具加工到葉盤的每個角落。并且因為葉型面空間扭曲范圍大，流道相對又比較窄，編程時刀具在葉片流道內(nèi)擺動角度需更合理，否則容易造成葉盤過切，無法獲得光順的刀路。

3.1 總體方案設(shè)計

整體葉盤的毛坯采用鍛件，然后利用車削加工成葉盤回轉(zhuǎn)體的相似外形，再利用五軸數(shù)控加工中心加工輪轂和葉型。這種方式加工出來的葉盤相對鍛接法、整體鍛造法、焊接法加工的葉盤能夠更好地滿足葉盤產(chǎn)品的強度和剛度要求，葉型曲面加工誤差小，動平衡實驗時更易調(diào)整。加工制造時基本原則應滿足：正確選擇工件坐標系原點，根據(jù)零件形狀和大小合理設(shè)計夾，選用適宜的機床、刀具，確定加工刀路。

3.2 整體葉盤加工編程方法及步驟

無論是專用軟件還是通用軟件，可對葉盤進行加工編程的軟件有很多。選用基于二次開發(fā)的Cimatron軟件，應用于零件數(shù)控加工編程流程如圖1所示，整個設(shè)計過程包括核心的三個方面：一是切削刀具設(shè)計與加工程式的總體規(guī)劃；二是選擇切削方式、確定切削參數(shù)、生成刀具軌跡并進行優(yōu)化；三是根據(jù)不同系統(tǒng)進行后置處理。任何一個方面有缺陷都將直接影響加工質(zhì)量與加工效率[3]。

圖1 零件數(shù)控加工的數(shù)控編程流程圖

3.3 加工策略

3.3.1 整體葉盤槽粗加工策略

葉盤槽粗加工以滿足加工效率為基本原則，采用五軸點位鉆孔與3+2五軸定位型腔銑的方法。五軸點位鉆孔為后續(xù)加工準備引刀空間，使葉盤在加工時可以從開敞區(qū)導引進行加工。這一工作必須采用切削仿真，使刀軸矢量在葉盤槽道間得到合理優(yōu)化。利用數(shù)控機床轉(zhuǎn)動軸的定向功能實現(xiàn)五軸點位鉆孔，五軸點位鉆孔需注意幾點要求：(1)鉆孔不能過切葉片、輪轂；(2)避免鉆孔重疊而導致鉆頭偏向；(3)最大可能的切除葉盤槽的加工余量。

如果采用型腔銑策略加工葉盤槽道，則應注意加工步驟的銜接。銜接技術(shù)采用基于殘留模型的加工方法[4]，利用切削仿真為下一加工步驟準備模型。此外，葉盤槽的加工順序也很重要，要充分考慮排屑要求。五軸點位鉆孔與五軸定位型腔銑都是最常見的葉盤槽粗加工方法，相比較而言，五軸定位型腔銑的效率更高，實際加工中，可采取兩者相結(jié)合的方式進行。

3.3.2 整體葉盤五軸加工時刀軸矢量控制

由于葉型空間扭曲，刀具需要在葉盤槽的通道內(nèi)合理擺動，才能使刀具盡可能地接近葉片的葉盆與葉背兩側(cè)面，不要過切葉盤其余結(jié)構(gòu)，避免與相鄰葉片發(fā)生干涉，盡可能減少加工區(qū)域與檢查面之間的殘留余量。這一過程需要利用葉盤加工切削仿真發(fā)現(xiàn)干涉和碰撞現(xiàn)象，不斷修改，優(yōu)化刀軸矢量控制參數(shù)，直至滿足要求。切削仿真是葉盤加工編程過程中最繁瑣的工作，也是葉盤加工時不可缺少的環(huán)節(jié)。刀軸矢量控制的基本原則是：避免刀軸矢量的突變，保證刀軸矢量平滑變化。

4 加工實例編程介紹

以航發(fā)整體葉盤為例，介紹編程加工的工藝方法。

4.1 零件結(jié)構(gòu)示意圖

本文以整體葉盤為例討論其編程過程。零件結(jié)構(gòu)示意圖見圖2所示，該葉盤葉尖外圓及輪轂采用了圓錐面，葉片總數(shù)量47片，葉片間最小距離12.8 m，葉片最大厚度0.8 mm，最小厚度0.2 mm，葉片高度45 mm，葉片根部圓角半徑為R2。葉型為自由曲面，葉片空間扭曲、流道狹小，葉片前緣處前傾，加工難度高，容易產(chǎn)生干涉。零件采用X、Y、Z、A、C五軸聯(lián)動的數(shù)控機床加工。

圖2 零件結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 槽道(型腔)粗加工

粗加工基本原則：在加工空間允許的前提下，盡量選用較大直徑的刀具加工，提高加工效率和刀具強度，減少刀具在加工時產(chǎn)生斷刀的現(xiàn)象。分別選用?10、 ?8圓柱銑刀進行型腔粗、半精加工，加工出葉片的基本形狀。采用3+2五軸定位方式加工，A、C軸分別為90°、 0 °的位置，保證零件表面具有0.5 mm精加工余量的前提下，盡量去除零件表面余量，為后續(xù)加工提供更大的刀軸調(diào)整空間，如圖3所示。

4.3 輪轂粗加工

由于前面工步采用的是3+2的五軸定位加工方式，葉片葉盆表面殘余余量不均勻，為避免后續(xù)加工的干涉，同時提高后續(xù)加工過程中的平穩(wěn)性，需進一步進行光順加工。修整輪轂部分的殘余量，使輪轂部分各處余量盡量均勻，為葉片精加工做準備。選用?8圓柱球銑刀，采用五軸聯(lián)動的加工方法。如圖4所示。

4.4 葉片型面粗加工

均勻葉片表面余量，為精加工葉型做準備。選用?8圓柱球銑刀，采用五軸聯(lián)動的加工方法。如圖5所示。

4.5 葉片型面精加工

通過前面的粗加工，葉片的葉盆、葉背的大部分材料已經(jīng)去除，葉片基本形狀已經(jīng)成型，可以進入葉片的精加工準備階段。加工方案及選用刀具與葉片粗加工相同，調(diào)整加工步距。如圖6所示。

4.6 輪轂精加工

加工方案、選用刀具與輪轂部分粗加工相同。如圖7所示。

圖6 葉片型面精加工

圖7 輪轂精加工

4.7 輪轂清根

由于設(shè)計葉片根部為R2，所以需要進行根部圓角精加工。選用刀頭半徑R2，圓錐角4度的圓錐球頭刀，采用五軸聯(lián)動的方法加工。如圖8所示。

4.8 葉片圓角清根

選用刀頭半徑R2，圓錐角4度的圓錐球頭刀，采用五軸聯(lián)動的方法加工。如圖9所示。

圖8 輪轂清根

圖9 葉片圓角清根

5 結(jié)論

基于Cimatron整體葉盤的五軸數(shù)控加工涉及材料科學、金屬切削技術(shù)、產(chǎn)品三維造型技術(shù)、仿真加工技術(shù)、刀位計算技術(shù)與后置處理技術(shù)等領(lǐng)域。本文通過分析和總結(jié)航發(fā)整體葉盤常用的不銹鋼、鈦合金和鋁合金等三種材料的特性、加工特點、加工工藝規(guī)范與措施，結(jié)合高性能整體葉盤的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點與高性能要求的各項指標，形成了實證可行的工藝路線。同時，基于Cimatron對五軸數(shù)控加工工藝與編程方法，采用五軸點位鉆孔、3+2五軸定位型腔銑相結(jié)合的葉盤槽道加工策略以及合理的刀軸矢量控制方法等在具體實施案例中進行數(shù)據(jù)采集分析，達到了理想的預期效果，為工程實際應用提供借鑒與參考。