靜子葉片葉身型面數控加工技術研究

雷瑤 王松

摘 要：葉片的制造技術是透平機械制造業中的主要技術之一。葉片的制造水平在一定程度上反映了發動機的制造水平。葉片的加工工藝水平可用葉片型面的加工水平來衡量。本文介紹了葉片葉身型面數控加工的要點進行分析，為今后葉身型面數控加工技術在壓氣機葉片加工中的推廣應用、改進發展，打下一個良好的基礎。

關鍵詞：葉片；數控加工；切削刀具

中圖分類號：TK416 文獻標志碼：A

0 引言

航空發動機葉片是航空發動機的核心零件，對航空發動機性能，壽命影響很大。其結構復雜、技術含量高、尺寸精度要求嚴格。葉片類零件的葉身加工的傳統加工方法眾多，如大余量手工拋光、靠模車、砂帶磨、電解和靠模銑等，但是這些加工方法共同的缺點是最終余量大，還必須靠手工的精拋光達到工藝圖紙的要求，而這會帶來型面燒傷、變形、波紋度大、一致性差以及加工效率低下等問題。隨著技術的發展， 精密鍛造、數控電解、數控銑等加工方法成為葉片類零件小余量或無余量加工的重要手段。隨著數控技術的發展和企業技改的資金投入，國內眾多葉片加工企業擁有了國際上先進的數控機床，使利用數控機床精加工葉片成為可能，目前國內葉片類零件已廣泛采取數控加工的方法加工。但由于數控加工技術在國內應用的時間較短，葉片的數控加工還存在許多關鍵技術沒能很好解決，使葉片的無余量數控加工存在著較大的困難。通過本課題的研究，利用現有葉片加工的成功經驗，通過優化加工工藝、設計新型夾具、調整切削參數、優化數控加工程序等方面研究和試驗，形成一套葉片精密數控加工的成熟工藝規范，進而改變目前葉片數控加工余量大的狀況，提高葉片加工的質量和效率，滿足新型發動機葉片的制造技術需要。

1 靜子葉片型面數控加工

某靜子葉片為鈦合金材料的雙軸頸型葉片，形狀如圖1所示。型面數控加工的設備采用的是五坐標高速立銑。該設備尾座處配備有與A軸同步轉動的U軸，在葉片的數控加工中起到很好的作用。最高轉速15000r/min，用來加工最長到700mm的飛機發動機葉片以及汽輪機和壓氣機葉片。為了達到設計圖中對型面和邊緣要求的輪廓度和尺寸要求，數控加工應有：粗加工、半精加工和精加工。

2.1 型面粗加工

粗加工是葉片精加工前的準備工作，去除葉片毛料型面留下的較多的余量和修整葉片型面的形狀。一般情況下粗加工留余量為0.3 mm。

2.2 型面半精加工

半精加工是精加工的準備工作。半精加工目的是為了進一步休整型面、排除波紋、減少型面余量。半精加工型面留余量0.1 mm。

2.3 型面精加工

精加工是在半精加工的基礎上去除型面余量，使其達到規定的圖紙技術要求和尺寸精度的要求。

葉片型面的數控加工為機械去除形式。加工過程中葉片受力會產生變形，影響加工結果，造成葉片型面不符合圖紙技術要求和尺寸精度的要求。

3 影響加工結果的討論與分析

3.1 影響葉片型面變形的原因分析

根據試驗加工情況，結合葉片數控加工的特點，葉身型面數控加工時發生變形的主要原因有：

（1）葉片毛料為模鍛件，葉片內部內應力較大。型面加工后內應力得以釋放，此葉片葉身型面彎曲度較大，釋放的內應力會使葉身型面造成較大的變形。通過在加工中摸索型面變形的規律相應的調整加工程序，解決型面變形問題。

（2）加工過程中刀具切削會產生徑向切削力。在切深較大時，徑向切削力也會加大。葉片進排氣邊緣很薄，大的徑向切削力會使葉片葉身進排氣邊緣變形。在切深較小時，鈦合金材料讓刀現象嚴重，也會使葉身型面產生變形。因此，需要選擇合理的切深，既避免大的徑向切削力使葉片葉身進排氣邊緣變形，也避免讓刀現象使葉身型面產生變形。

3.2 影響葉身型面加工精度的原因分析

經攻關發現影響葉身型面加工精度的原因主要是：夾具旋轉中心與機床旋轉中心不一致，這是造成葉身型面加工不合格的主要原因。造成中心不一致的原因有多方面，一是數控銑夾具制造誤差，導致夾具中心與機床中心可能有偏移；二是數控銑夾具和機床裝配造成誤差。

4 避免變形的數控加工方法選擇及加工試驗

4.1 夾具的選擇

在傳統的加工方法中使用兩端頂尖定位夾緊進行加工，由于葉片材料和形狀的原因，在去除大部分余量后葉片剛性下降，葉片出現彎曲，致使葉片加工后余量不一致。因此，在設計夾具時，需要解決這個問題。我們改變了葉片的定位夾緊方法，將兩頂尖定位夾緊改為用兩端軸頸定位夾緊。這種定位方法可以有效地提高葉片加工強度，減少葉片加工變形，達到葉片精密加工的要求。

4.2 刀具的選擇

在進行數控銑加工時，必須根據切削葉片的部位、粗精加工和切削材料合理地選擇刀具和切削參數，以提高加工質量、刀具的使用壽命、切削效率，同時減小葉片變形。

銑加工型面時，采用Ф20R1硬質合金端銑刀。此刀適用于高速銑精加工，專門用于加工鈦合金材料的銑刀。理論上，球頭刀和端銑刀均可用于曲面的精加工，之所以選擇帶R角的端銑刀，是因為它在表面加工質量和切削效率方面均優于球頭刀。因此，只要在保證不過切的前提下，無論是曲面的粗加工，還是精加工，都優先選擇端銑刀。

銑加工安裝板時，先采用Ф16R8硬質合金成形刀加工去除粗加工所留余量，再采用Ф8R4硬質合金成形刀以便加工出葉身與緣板轉接處R，即用于清根。在表面質量不變的情況下，使用較大半徑的球頭硬質合金成形刀加工可以縮短加工時間，提高刀具耐用度。

4.3 切削加工用量選擇

高速切削加工用量的確定主要考慮加工效率，加工表面質量，刀具磨損以及加工成本。一般原則是中等的每齒進給量fz，較小的軸向切深ap，適當大的徑向切深ae，高的切削速度。根據實際選用的刀具和加工對象，參考刀具廠商提供的加工用量選擇，參考高速銑削理論計算公式，最終確定了葉身型面加工使用的切削參數。以Ф20R1端銑刀精加工葉身為例：刀具直徑Ф=20 mm；齒數nz=4；切削步距ae= 3 mm；切削深度ap=0.3 mm；每齒進給量fz=0.09 mm；鈦合金切削速度vc=100m/min；主軸轉數S=1600r/min；進給率f=650mm/min。

結論

結果表明，此次試驗使用的夾具結構、粗精加工工藝、數控加工程序和切削參數是合理的，實現了靜子葉片葉身數控無余量加工，可做到葉片型面不變形、葉身型面及上、下安裝板內側面尺寸精度滿足設計要求。為進一步提高葉片葉身型面數控加工技術，充分發揮數控銑床的優越性、穩定性和高精度，必須在充分吸取此次試驗經驗的基礎上，對現有的數控銑夾具和程序進一步完善，以提高零件的制造精度和質量。

參考文獻

[1]《透平機械現代制造技術叢書》編委會.葉片制造技術[M].北京：科學出版社，2002.

[2]郭文有.航空發動機葉片機械加工工藝[M].北京：國防工業出版社，1994.

[3]劉大響.對加快發展我國航空動力的思考[M].航空動力學報，2001，16（1）：1-6.