薄壁葉片五軸加工工藝及加工變形實驗驗證分析

中圖分類號：TG659 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0068-04

Abstract：Thefive-axismachiningprocessofthin-walledbladesisexplored，andexperimentsaredesignedtodiscussthe influenceofrakeangleonthemachiningdeformationofthin-waledblades.UsingNXsoftwareathin-walledblademodelwas establishedbyimportingpointsets，fitingcurves，generatingsurfaces，synthesizingsolidsandroundingcorners.Themachining processissetbasedonthismodel，andflatendmillsareusedforsidemilingintheroughmachiningstage，andballnd millsareusedforpointmilinginthesemi-finishing，finishingandcornercleaningstages.Takingtherakeangleastheonly variable，the rake angle of the ball-end milling cutter is set to 5^° ， 10^° ！ 15^° ， 20^° ， 25^° and 30^° respectively to explore the machiningdeformationunderdiferentinclinationangles.Theresultsshowthatthelargertheinclinationangleofthetoolaxis， the smaller the machining deformation. However，when the inclination angle exceeds 20^° ，the effect of increasing the inclination angleonthemachiningdeformation isnotobvious.Itisappropriatetosettheinclinationangleof thetol axis to 15^°～20^° in actual machining.

Keywords：thin-walledblade; five-axis machining;ball-end miling cutter; machining deformation;rake angle

薄壁葉片加工中可能造成工件變形的因素有若干種，工件自身因素如初始?xì)堄鄳?yīng)力、受熱膨脹性能，加工工藝因素如加工順序、刀具路徑，加工過程因素如切削熱、熱變形等。為了得到更高質(zhì)量的工件，必須要對可能造成工件變形的各種加工因素采取控制措施。刀具的材質(zhì)、類型及姿態(tài)等，不僅影響了薄壁葉片的加工效率，而且與加工變形量也有密切關(guān)系。理論上增加刀軸傾角可以讓工件的表面質(zhì)量更高，但是也會導(dǎo)致刀具干涉與振動，如何確定最佳的刀具姿態(tài)成為必須要考慮的問題。

1薄壁葉片五軸加工工藝

1.1.1 導(dǎo)入點集

1.1薄壁葉片建模

使用NX（NextGeneration）數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)軟件進行薄壁葉片建模，建模流程如圖1所示。

在掃描薄壁葉片實體的基礎(chǔ)上，獲取葉片頂部和底部截面上的點集，將點集坐標(biāo)保存到txt文件中。打開NX軟件，從任務(wù)欄中選擇“導(dǎo)入\"選項，在彈出的對話框中選中txt文件，即可導(dǎo)入點集坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.1.2 曲線擬合

成功導(dǎo)入點集后，從任務(wù)欄中選擇“藝術(shù)樣條曲線”選項，在彈出的對話框中設(shè)定參數(shù)，類型設(shè)定為“通過點”，參數(shù)化設(shè)定為“封閉”，次數(shù)設(shè)定為“2”。點擊確定后，以順時針方向從當(dāng)前窗口中選取點并擬合葉片頂部與底部的截面曲線。

1.1.3 生成曲面

成功獲得葉片頂部與底部的曲線后，在任務(wù)欄中選擇“通過曲線組”選項，將對齊方式設(shè)定為“弧長”，在當(dāng)前窗口先選擇葉片頂部曲線，點擊“添加新集”，再選擇葉片底部曲線，得到葉身曲面。

1.1.4 合成實體

參考毛壞形狀確定底座截面，并在NX軟件中選擇矩形畫出截面，然后調(diào)用軟件自帶的拉伸工具對矩形進行拉伸獲得底座。將1.1.3中得到的葉身與1.1.4中得到的底座進行合成。

1.1.5 倒圓角

執(zhí)行“倒圓角\"命令，將類型設(shè)定為“2個定義面鏈”，分別選取葉身曲面和底座頂面生成圓角，完成薄壁葉片的建模1]。

1.2 薄壁葉片加工

1.2.1 加工參數(shù)的設(shè)定

在使用NX10.0軟件完成薄壁葉片建模后，將模型導(dǎo)入PowerMILL2017軟件中進行刀具路徑規(guī)劃。將薄壁葉片的加工過程分成4個階段，即粗加工、半精加工、精加工和清角，最后對加工成品進行檢驗，各個階段的數(shù)控加工參數(shù)設(shè)定見表1。

1.2.2 加工刀具的選擇

刀具與薄壁葉片的加工效率和加工精度有直接關(guān)系，目前常用的數(shù)控銑刀根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為鑲嵌式刀具、減震式刀具等，根據(jù)材料不同可分為陶瓷刀具、硬質(zhì)合金刀具、立方碳化硼刀具等。本文研究的薄壁葉片材料為鋁合金7075-T6，這類材料的硬度較低，加工時對刀具的負(fù)載較小，可以選用硬質(zhì)合金類刀具。按照切削刃形狀的不同，又可分為平頭銑刀、球頭銑刀、環(huán)形銑刀及錐銑刀等類型。在葉片粗加工階段，由于對加工精度要求不高，選用加工效率更快的球頭銑刀；在半精加工、精加工和清角階段，為了保證薄壁葉片的加工精度，將刀頭替換成球頭銑刀2。薄壁葉片各加工階段的刀具參數(shù)見表2。

1.2.3 刀具路徑的設(shè)置

在薄壁葉片的制造中使用到的加工方式有點銑法和側(cè)銑法2種。在點銑法中，球頭刀沿著葉片的流線方向走刀，可以滿足葉片設(shè)計型面的要求，并保證成品具有較好的動力性能；缺點是加工速度偏慢，并且刀具磨損嚴(yán)重。在側(cè)銑法中，使圓柱銑刀的側(cè)刃進行加工，適用于直紋面或平坦方向自由曲面的葉片加工。該方法的優(yōu)點是加工效率更高，并且能顯著改善葉片表面的粗糙度；缺點是適應(yīng)性稍差，不能用于非可展直紋面和自由曲面的加工。綜上，在薄壁葉片的粗加工階段選擇平頭銑刀進行側(cè)銑加工，刀具路徑設(shè)定為“外環(huán)偏置”模式，自的是讓殘余應(yīng)力均勻分布；在半精加工、精加工以及清角階段，選擇球頭銑刀進行點銑加工，刀具路徑設(shè)定為“螺旋走刀\"模式，配合一定的側(cè)傾角避免碰撞，有利于控制薄壁葉片的扭曲變形。

2薄壁葉片加工變形實驗驗證

為了生產(chǎn)出精度、性能等各方面均符合要求的薄壁葉片，在加工過程中必須對變形誤差進行嚴(yán)格控制。其中，刀具姿態(tài)是影響薄壁葉片加工質(zhì)量的重要因素，為了確定最佳的刀具姿態(tài)，選擇“刀軸傾角”這一指標(biāo)設(shè)計了薄壁葉片加工變形實驗，探究不同刀軸傾角下的加工變形量，從而選出讓變形量最小的刀軸傾角[3]。

2.1 實驗內(nèi)容

實驗中使用的薄壁葉片高度為 60mm ，寬度為30mm ，厚度為 2mm ，材料為鋁合金7075-T6。機床選用DMU80monoBLOCK五軸加工中心，冷卻方式為乳化液冷卻。在使用球頭銑刀加工時，如果讓刀軸與工件表面垂直，很難獲得高精度的表面，因此需要刀軸與工件表面保持一定傾角；同時，如果刀軸傾角太大又會造成刀具夾持部位與工件的碰撞4。綜上，刀軸側(cè)傾角在 5^°～30^° 之間是比較合理的。本實驗中將刀軸側(cè)傾角分別設(shè)定為 5^°，10^°，15^°，20^°，25^° 和30^° ，分別探究6個角度下薄壁葉片的加工變形規(guī)律。在每一組實驗中，首先以平頭銑刀完成粗加工，然后以球頭銑刀進行半精加工、精加工和清角，將球頭銑刀以特定的側(cè)傾角進行螺旋銑削加工。完成加工后將薄壁葉片放置一段時間，最后用三坐標(biāo)測量機測量薄壁葉片的加工變形量。

2.2 測量方法

本實驗中選擇GlobalPerformance橋式三坐標(biāo)測量機測量加工完成后的葉片變形量。該機器的三坐標(biāo)量程分別為 X 軸 =900mm，Y 軸 Σ=1200mm，Z 軸 Σ=Σ 800mm ，形狀測量誤差為 0.5μm ，長度測量誤差不超過 1.0μm+L/350 ，這里的 L 為實際測量長度，單位為 mm 。在薄壁葉片上均勻布置7（橫向 （縱向）個測量點，測量點的上下間距為 10mm ，左右間距為 4mm 。在正式測量前，要在橋式三坐標(biāo)測量機中構(gòu)建工件坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系包含了6個自由度，其中3個為平動自由度 （X，Y，Z），3 個為轉(zhuǎn)動自由度 （A，B，C） 。工件坐標(biāo)系的構(gòu)建步驟如下：

步驟1：找正。確定工件坐標(biāo)系的第一軸。

步驟2：旋轉(zhuǎn)。以第一軸為基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)確定第二軸再根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系原則確定第三軸。

步驟3：設(shè)定原點。用基準(zhǔn)確定坐標(biāo)系的3個零點，將 X，Y，Z 這3個方向上對應(yīng)的3個原點，分別平移到3個基準(zhǔn)的測量特征上，即可得到工件坐標(biāo)系。

工件坐標(biāo)系建立起來后，在葉片表面打點測量獲得加工變形量。

2.3 實驗結(jié)果及分析

2.3.1 中軸線上不同高度的加工變形量

在薄壁葉片中軸線上，高度從 10mm 至 60mm 內(nèi)不同傾角下的加工變形量如圖2所示。

由圖2可知，從整體上看在葉片中軸線從 10mm 升高至 60mm 的過程中，無論刀軸傾角如何變化，彎曲變形量均呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。其中，最大變形出現(xiàn)在葉身高度 40mm 附近，從中段向葉片的葉根和葉間，彎曲變形呈現(xiàn)減小趨勢。橫向?qū)Ρ葋砜?，?^°～30^° 區(qū)間范圍內(nèi)，刀軸傾角越大則加工變形量約小。

2.3.2 高度為 60mm 處截面內(nèi)扭轉(zhuǎn)變形

在薄壁葉片的 60mm 高度處，截面扭轉(zhuǎn)變形情況如圖3所示。

由圖3可知，從整體上看在薄壁葉片的中軸處變形量最小，距離中軸線越遠(yuǎn)，加工變形量越大。橫向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)，在刀軸傾角為 5^° 時，相同距離下的扭轉(zhuǎn)變形要高于其他角度，并且隨著刀軸傾角的不斷增加，薄壁葉片的扭轉(zhuǎn)變形越小。

2.3.3 不同高度截面的扭轉(zhuǎn)變形分布

在葉片高度從 10mm 升高至 60mm 過程中，不同刀具傾角下的變形量變化如圖4所示。

由圖4可知，隨著葉片高度的增加，無論刀軸傾角如何變化，薄壁葉片截面的扭轉(zhuǎn)變形量均呈現(xiàn)出增加趨勢；并且刀軸傾角越大的情況下，相同高度下的扭轉(zhuǎn)變形量越小。

需要注意的時，當(dāng)?shù)遁S傾角超過 20^° 后，繼續(xù)增大傾角對控制薄壁葉片扭轉(zhuǎn)變形量的效果不明顯。考慮到增加刀軸傾角會讓加工過程中的刀具振動幅度變大，因此傾角不宜過大。綜上，推薦薄壁葉片加工時球頭銑刀的刀軸傾角為 15^°～20^° 。

3結(jié)束語

薄壁葉片作為航空、航天、船舶等領(lǐng)域的重要零件，對其加工精度有著嚴(yán)格的要求。在薄壁葉片的制作中，除了要明確加工工藝外，還要對各項工藝參數(shù)進行合理設(shè)定，達(dá)到兼顧加工精度與加工效率的目的。

刀軸傾角是影響加工變形量的主要因素，將該工藝參數(shù)設(shè)定在 15^°～20^° ，有助于獲得更高質(zhì)量的工件，同時還能延長刀具壽命，降低薄壁葉片的制造成本。

參考文獻：

[1]張桂花，謝正.基于UG12.0的螺旋槳葉片五軸加工之銑削策略探討[J].內(nèi)燃機與配件，2022（5）：30-32.

[2]周朝進，陳光勝.基于五軸加工中心的渦輪葉片在機測量準(zhǔn)確定位方法研究[J.建模與仿真，2022（2）：10-12.

[3]衛(wèi)星馳，趙嫚，楊青平.考慮工件變形的五軸側(cè)銑薄壁件銑削力建模[J].機械工程學(xué)報，2022（7）：317-324.

[4]楊凡.新型高速五軸聯(lián)動加工中心立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機械工程與技術(shù)，2024（3）：11-12.

[5]楊釗，普發(fā)云，肖寧.基于VERICUT五軸葉輪加工方式的選擇分析[J.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2023（9）：141-145