航空發動機葉片加工新工藝與可靠性分析

克欽　張亞雙

摘要：葉片是航空發動機關鍵零件，它的制造量占整機制造量的三分之一左右。航空發動機葉片屬于薄壁易變形零件，如何控制其變形并高效、高質量地加工是目前葉片制造行業研究的重要課題之一。本文將主要探討航空發動機葉片加工新工藝與可靠性。

關鍵詞：航空發動機；葉片加工；新工藝

前言

隨著科技的迅速發展，機械制造業中像葉片這樣的復雜曲面構件的加工量與日俱增。傳統的葉片設計生產過程各個工序之間獨立性較強，工廠中形成相互獨立的信息孤島，從而使葉片的研制周期過長。另外，葉片類零件屬于復雜零件，零件種類繁多，而且葉片型面是由復雜的三維自由曲面組成，幾何精度要求較高，傳統的加工方法無法滿足葉片的精度要求[1]。因此，現代的數控加工技術越來越廣泛地被用于葉片加工過程中，使葉片在普通切削加工中備受困惑的問題得到解決。

1.葉片數控加工傳統工藝路線

葉片數控加工傳統工藝是單個葉片依次加工，毛坯鍛造可以是模鍛也可以是自由鍛。 在銑削加工和車削加工前必須合理設計工裝， 并高精度地制造出來，這樣才能保證葉片的精度，工裝的精度對葉片的制造精度影響很大。在葉片銑削加工全部完成后，必須把葉片組合成一周，通過車削來完成內、外櫞板的加工。

通過數控銑床高速加工的方法加工葉片，加工質量好、精度高，特別是引起葉片薄壁部分變形的徑向力明顯下降，減少葉片在加工過程中的變形，從而有利于葉片的加工。由于切削力小，工藝系統符合，因此有利于機床精度的保持。在葉片加工過程中，產生的熱量主要被切屑帶走，故切削時葉片溫度較低，熱變形小，這也有利于葉片的加工制造。切削過程的激振頻率很高，故切削過程不易產生振動，可以提高葉片表面加工質量，使其表面粗糙度與磨削加工所達到的值接近。

2.基于UG的航空發動機葉片加工工藝分析

2.1 .工藝分析.

發動機葉片材料大多采用金屬材料。就發動機葉片的結構和使用要求而言，采用 UG 中的 CAM模塊經過處理生成數控代碼，完成對發動機葉片的加工是當前的主流方案。基于對發動機結構的分析，需要使用數控銑加工中心來完成模具的加工。由于發動機的結構相對比較復雜，各個葉片之間有重疊，加工起來難度很大，加之發動機葉片的曲面較為復雜，機床原有的夾具無法對其進行固定加工，所以對發動機葉片的加工需采用專用夾具，并且采用五軸數控加工中心，才可能完成。通過控制刀軸各個矢量方向的改變來加工曲面，各曲面的刀路要重疊相接[2]。

2.2.工藝過程

在加工過程中要選擇合適的加工坐標系，針對表面選擇加工方法，根據零件表面質量要求來設定加工參數。葉片材料為六面體方鋼。先使用銑床將材料進行六個基準面的銑削加工，粗加工時首先要進行UG 軟件的建模界面，通過加工模塊的操作、基準坐標系的選取、相應參數的設置才可以進行葉片的加工仿真。其中，相應參數包括刀具直徑、切削參數、進給速率、切削方向、銑削方式的選取等。本次加工的銑削方式為跟隨周邊。完成加工仿真后創建小平面得到實體，完成粗加工程序。通過程序處理器的處理得到粗加工的程序段用于驅動機床。葉片加工包括葉根過渡圓角、阻尼臺、進氣邊、出氣邊等特殊部位加工。前期工作概述：銑削加工背弧氣邊倒角，初精銑背平面、凸臺，葉冠；葉冠葉根內徑方向去余量，粗精銑葉根型線和葉冠徑向面；銑氣道型線，銑削葉根端面等。

3. 葉片加工過程中的方法和可靠性分析

3.1. 主型面的加工

葉片主型面是空間自由曲面，各部分的曲率扭轉較大還是薄壁件，采用截面法加工比較適合，其生成的刀軌均勻，走刀軌跡容易控制。而且刀具與曲面的接觸點軌跡在同一平面上。在加工過程中采用與葉片高度方向垂直的一系列平面作為截平面，與葉片主型面作交運算，生成一系列交線，由交線生成刀軌軌跡。

3.2. 阻尼臺加工

加工阻尼臺同樣采用截面法。此過程中截面法矢的選取是關鍵，加工中選擇阻尼臺中點的法矢作為截面法矢。這樣會很容易避開干涉，從而提高加工效率。

3.3. 葉片的清根加工

葉片的主型面是通過過渡曲面與根榫頭進行連接的，而過渡曲面又是由多個片體形成的自由曲面。這些曲面是由圓角曲面形成的，采用截面法加工，比較容易實現加工。在加工過程中刀軌可以形成一個環，走刀流暢連貫加工效率大大提高[3]。

3.4. 阻尼臺的清根加工

在葉片加工時，采用較大的進給量和較小的切深可使切削力減小，同時可以節省動力消耗。加工葉片時，要保證表面粗糙度，應注意以下因素[4]：

3.4.1.工件材料與刀具材料的匹配。與一般加工一樣，高速加工工件材料與刀具材料的匹配也很重要，它不僅影響切削加工的性能，對加工表面粗糙度的影響也是很明顯的。

3.4.2.工件材料的硬度。高速切削時，被加工工件材料的硬度對加工表面粗糙度也有影響。高速切削時的表面粗糙度隨工件材料硬度的變化規律與傳統低、中速切削時不同，工件材料硬度的增加會使表面粗糙度降低。

3.4.3.進給量和切削速度。傳統切削理論認為：切削脆性材料時切削速度對表面粗糙度基本上沒有影響，但在切削塑性材料時，在低、中切削速度的情況下，易產主積屑瘤及鱗刺，從而表面粗糙度增大，隨著切削速度的提高，積屑瘤和鱗刺減少甚至消失，工件材料的塑性變形也減小，因而可以減小表面粗糙度；進給量增大，會導致刀具殘留面積增大，從而使表面粗糙度增大。

3.4.4.振動的影響。高速切削機床（包括加工中心）具有很高的剛度，但是高次諧振的影響可能會激起工件以固有頻率振動，從而影響表面粗糙度。

3.4.5.其它因素。如切削液、機床性能等。

由于精加工要用球頭銑刀來完成，因此計算球頭銑刀銑削殘留高度是必不可少的工藝過程。銑削殘留高度是影響銑削表面粗糙度的主要因素，所以往往通過控制它的大小來控制表面加工質量。目前確定球頭銑刀銑削殘留高度的方法大多建立在估算公式上。

4.結束語：

本文應用 UG 軟件完成五軸數控編程加工發動機葉片，達到了實際生產需求，縮短了生產周期。實例主要說明了關鍵加工過程的加工方法，至于實際加工參數設置并未進行詳細說明，加工方法的選擇直接影響加工效率與表面結構參數。本文對葉片的建模與加工有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] 王麗，宋成，李美榮. 航空發動機葉片型面的旋流式光整加工實驗研究[J]. 航空精密制造技術，2012，06：36-39.

[2] 肖建國，方秋生. 基于有限元法微小高精度葉片加工過程控制研究[J]. 金屬加工（冷加工），2013，03：67-68.