多軸擺線銑在整體葉盤粗加工中的應用

■沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司 （遼寧　110043） 朱 麗 侯 波 汪　歡 王梁丞

多軸擺線銑在整體葉盤粗加工中的應用

■沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司 （遼寧110043） 朱 麗 侯 波 汪歡 王梁丞

摘要：本文主要針對高溫合金難加工材料中小型整體葉盤的粗加工過程，如何采用多種擺線銑方式進行粗開槽加工，闡明了擺線銑方案和其他加工方案的不同之處及其優勢，并對多軸擺線銑編程方式加工特點進行說明，為難加工材料的中小型整體葉盤加工提供了一種有效方法。

整體葉盤作為高推重比為特征的先進航空發動機的關鍵部件，結構更加復雜，技術要求更加嚴格；其制造技術既是先進發動機的關鍵技術，也是當今機械制造中的尖端技術，涉及到計算機輔助設計的三維造型、模擬仿真加工、高速高效數控加工、三維曲面測量及毛坯制造等先進技術。

目前，整體葉盤主要采用數控銑削方式進行加工，從毛坯到成品的加工過程中，約有 90%的材料被去除，其絕大部分在葉盤粗開階段完成，且整體葉盤材料多為高溫合金、鈦合金等難切削材料，其流道窄、刀具可達性差，導致刀具成本極高。尤其是小型整體葉盤（直徑600mm以下），加工中，刀具長徑比（刀具懸伸長度/刀具直徑）大，壽命短這一問題尤為突出。如何有效地解決效率與成本的關系，是中小型葉盤在粗加工中的重要問題。本文通過 MAXPAC 軟件的U形導軌功能獲得多軸擺線銑軌跡，及選取合理的刀具類型及參數，為中小型難加工材料整體葉盤的粗開槽提供一種可靠的加工方法。

1. 中小型整體葉盤的粗開槽數控銑加工方案分析

中小型整體葉盤一般直徑小于600mm，葉盤間距小（僅 10～14mm），可選用刀具直徑 12～18mm，刀具直徑比可達5以上，當材料為高溫合金難加工材料時，數控銑加工開槽是一件困難的事情，刀具成本極高。

因此，選擇合理的銑削方案是關鍵。通常整體葉盤的粗銑方案有插銑、等高線銑削（層銑）、擺線銑削、高進給銑削、鉆削+光整等。由于刀具直徑小，多為整體硬質合金刀具，上述方案的優劣也顯現出來。如附表所示。

銑削方案對比

當整體葉盤加工可使用刀具小于 12mm，材料為高溫合金等難加工材料時，由于刀具直徑小，剛性差，層銑時刀具受徑向力大，切每層中均有滿刀切削，再因整體葉盤的粗開槽兩側面是由葉盆、葉背兩個不同的自由曲面構成，導軌的每刀余量均不相同，即刀具時刻受到的切削力不同，因此，進行層銑加工時，刀

具磨損快，刀具壽命短，當懸伸增加時尤為明顯。選擇插銑時，由于刀具直徑小，切削槽尺寸有限，插銑的步距有明顯的限制，刀軌數量增加，空走刀數量也明顯增加，當進行小懸伸比區域加工時，效率低于層銑。大懸伸比區域加工時，刀具的剛性也有所限制，加工效果不如大直徑刀具的插銑。高進給銑削可以用伊斯卡的飛碟銑刀進行，采用層銑的方式加工，將刀具受到的力方式轉換成軸向，加工效率提高，但是對編程要求高，需要均勻的切深，才能保證加工平穩，應避免多次的進退刀，否則易損傷刀具，影響刀具壽命。

鉆削+光整方式主要由于需要二次光整，切鉆削后余量不均，光整效率低；擺線銑削屬于側刃加工，通過圓弧或擺線可有效地獲得薄的切削，通過切削的厚度控制切削力，獲得平穩的加工過程，從而控制刀具壽命，雖然理論去除材料率比層銑低，但是平穩的加工過程十分適合加工高溫合金材料的整體葉盤。

2. 多軸擺線銑加工方案

（1）擺線銑的編程：目前，整體葉盤的五軸聯動數控程序編程軟件主要有 MAXPAC、PowerMill、UG、CATIA 等一系列國外軟件，均具有涵蓋五軸聯動加工路徑規劃的功能，并在實際加工中得到廣泛的應用，并提供擺線銑加工方式。以UG軟件提供的擺線銑方式為例，主要應用于型腔的粗開，并且以規則的圓形導軌為主進行切削加工，該編程方式屬于3軸加工，可進行+1，3+2方式加工。當進行整體葉盤粗開槽編程時，需要根據葉型扭轉和曲率，手工調整刀軸的方向，獲得導軌。由于葉型所構成的腔體并不是完全敞開，且流道寬度不是恒定的，葉型留有殘余需要通過光整使葉型余量均勻。

為了解決擺線銑后的二次光整問題，能夠通過擺線銑方式直接將葉型加工到位，可以利用整體葉盤編程軟件MAXPAC實現。通過利用U形導軌的編程方式，設置合適的步距及退回距離，并在轉角處增加大小適中的R，可以獲得理想的葉型粗糙度。該種擺線銑導軌為非規整的長方形導軌（帶轉角R），可以均勻地加工出葉深型面，無需進行光整加工。該種編程方式可以獲得聯動加工導軌，極大地提高了刀具的可達性。

（2）擺線銑加工參數選擇：擺線銑加工過程主要由刀具的側刃實現主要切削作用，承受徑向力。徑向力取決于切削的厚度，切削的厚度主要取決于切深、切寬及每齒進給量。在選擇加工參數時，需要考慮在滿足刀具足夠剛性時，應選擇大切削的銑刀。

在編程參數設定時，可以先充分利用刀具切削刃長度，同時匹配合適的切寬，二者匹配后，通過竟給的調整可以得到相對合適的加工過程。編程中合適的步距決定了刀具的切寬，也決定了空刀的長度。這樣需要綜合考慮才能獲得高的加工效率。

（3）多軸擺線銑的聯動方式選擇：該種擺線銑編程可以滿足五軸聯動、四軸聯動及3+2等固定軸加工方式需求，但是由于整體葉盤中都是采用擺線銑進行粗加工，主要從加工效率方面考慮，在保證良好的加工余量和合理的刀具壽命前提下，采用多軸的加工方式，如果條件允許，應盡量選擇固定軸方式（3+2方式），使整個加工系統獲得良好的剛性，提高加工效率。

如果需要四軸或五軸聯動才能完成，應盡可能選用四軸，或允許部分葉型位置不均，同時減少切削厚度，以減弱因刀軸變化而產生的切削變化。

3. 結語

多軸擺線銑是一種穩定的加工過程，能保證切削的均勻，可以有效地提高刀具的壽命。在中小型難加工材料整體葉盤的粗開槽加工中，多軸擺線銑加工可以克服葉型流道的不規則，又避免了二次光整加工，使刀具自始至終保持良好的加工狀態及高的壽命，是一種可靠的加工方法。

參考文獻：

[1] 任軍學，姜振南，姚倡峰. 開式整體葉盤四坐標高效開槽插銑工藝方法[J]. 航空學報，2008：1963-1698.

[2] 陳濤，鐘毅芳，周濟. 自由曲面5軸數控加工刀位軌跡的生成算法[J]. 機械工程學報，2001，37(12)：100-103.

[3] 曹利新，蘇云玲. 三元整體葉輪的曲面造型及計算機輔助制造技術[J]. 航空精密制造技術，2005，41(1)：20-23.

[4] 楊德武，彭芳瑜，周云飛. 基于主曲率匹配的五坐標刀位軌跡優化[J]. 華中科技大學學報，2001，29(12)：8-11.

收稿日期：（20150417）