整體葉盤五軸數控加工技術研究

周 靜 李 寧

（江蘇省淮海技師學院，淮海 223800）

1 整體葉盤五軸數控加工技術的關鍵技術

整體葉盤五軸數控加工技術的關鍵技術主要包括加工工藝規劃、刀具選擇與優化、切削參數優化、加工過程仿真與優化。加工工藝規劃是整體葉盤五軸數控加工過程的核心，合理的工藝規劃能夠確保加工過程順利進行，提高加工效率。刀具選擇和優化對于整體葉盤五軸數控加工至關重要，合適的刀具能夠提高加工效率，減少刀具磨損，提升產品質量。切削參數優化是提高整體葉盤五軸數控加工效率和質量的關鍵，通過優化切削參數，可以減小切削力，減少刀具磨損，提高加工精度。通過加工過程仿真與優化，可以模擬和分析整體葉盤五軸數控加工過程，找出潛在的問題和改進方向，為實際加工提供參考[1-2]。

2 整體葉盤五軸數控加工技術的應用與發展趨勢

整體葉盤五軸數控加工技術在航空發動機制造領域具有廣泛的應用前景。通過應用整體葉盤五軸數控加工技術，可以提高整體葉盤的加工精度和效率，降低制造成本，提升產品質量。隨著科技的進步和創新，整體葉盤五軸數控加工技術將朝著更高精度、更高效率的方向發展。未來，整體葉盤五軸數控加工技術將更加注重智能化、自動化和柔性化的發展，以滿足航空發動機制造領域日益增長的需求[3]。

3 整體葉盤五軸數控加工及仿真

3.1 數控加工工藝方案

整體葉盤五軸數控加工的工藝流程主要包括粗加工、半精加工、精加工和后處理4 個階段。

3.1.1 粗加工階段

在粗加工階段，首先需要根據零件的材料、結構、尺寸和精度要求等因素，確定合適的加工策略。常用的加工策略包括分層加工、區域加工、混合加工等。分層加工是將零件表面按照不同的深度分成若干層，逐層去除材料；區域加工是將零件表面劃分為多個區域，分別進行粗加工；混合加工則是將分層加工和區域加工相結合，根據具體情況選擇合適的加工策略。其次，選擇合適的刀具是保證加工效率和加工質量的關鍵，常用的刀具包括銑刀、鉆頭、鉸刀等。在選擇刀具時，需要考慮刀具的切削刃口形狀、切削刃長度、切削刃粗糙度等因素，以及刀具的剛性、耐磨性、抗沖擊性等性能指標。最后，粗加工階段的切削參數對加工效率和加工質量具有重要影響，常用的切削參數包括切削速度、進給速度、切削深度等。

3.1.2 半精加工階段

在半精加工修整之前，首先要確保葉盤毛坯已經經過粗加工，并具備一定的形狀和尺寸。其次，需要準備相應的工具和設備，如五軸數控機床、刀具、夾具等。

葉盤表面的修整要經過粗修整、半精修整和精修整3 個階段。在粗修整階段，主要是去除毛坯表面的大部分余量，使葉盤表面初步呈現出所需的形狀。在半精修整階段，進一步細化葉盤表面的形狀，同時為精加工階段做準備。在精修整階段，主要是對葉盤表面進行最后的調整和優化，以確保其形狀、尺寸和精度滿足要求。在修整過程中，需要密切關注刀具的磨損情況，及時更換磨損嚴重的刀具，以保證加工質量和效率；保持穩定的切削速度和進給速率，避免出現劇烈的切削振動或熱量堆積；定期檢查葉盤表面，以確保其表面質量符合要求；徹底清潔葉盤表面，以去除任何殘留的切削屑或雜質[4]。

3.1.3 精加工階段

精加工階段是對葉盤表面進行精細加工，包括磨削、拋光等操作。在磨削操作中，選擇合適的磨料對于提高磨削效率和質量具有重要作用，根據不同的加工要求，可以選擇不同粒度、硬度、形狀的磨料。磨削速度是影響磨削效率和質量的重要因素，過高的磨削速度會導致工件表面的粗糙度增加，而過低的磨削速度則會影響磨削效率。因此，需要根據工件的材質、硬度和加工要求，選擇合適的磨削速度。冷卻液在磨削過程中具有重要的作用，可以降低磨削溫度，減少工件表面的粗糙度。因此，需要根據實際情況調整冷卻液流量，以保證冷卻效果。在拋光操作中，要根據不同的加工要求選擇不同粒度、硬度、形狀的拋光劑；要控制拋光壓力和拋光時間，需要根據工件的材質、硬度和加工要求，選擇合適的拋光壓力；根據實際情況調整拋光時間，以保證拋光效果。與磨削過程類似，冷卻液在拋光過程中也具有重要的作用，可以降低拋光溫度，減少工件表面的粗糙度。因此，需要根據實際情況調整冷卻液流量，以保證冷卻效果。在完成葉盤表面精加工后，需要檢測葉盤質量，包括尺寸檢測、粗糙度檢測、硬度檢測等[5]。

3.1.4 后處理階段

在后處理階段，要對葉盤進行清洗、涂油等處理，確保產品質量。清洗葉盤的方法有多種，包括溶劑清洗、超聲波清洗、高壓水射流清洗等。其中，高壓水射流清洗具有高效、環保、安全等優點，被廣泛應用。高壓水射流清洗的基本原理是利用高壓水射流沖擊葉盤表面，清除表面的污物和雜質。具體操作步驟如下：將葉盤放置在清洗機內，確保葉盤固定牢固，防止在清洗過程中發生移動或碰撞；向清洗機內注入具有一定壓力的高壓水，確保水覆蓋葉盤表面；啟動清洗機，使高壓水射流沖擊葉盤表面，清除表面的污物和雜質，可以根據需要多次使用高壓水射流清洗，以確保葉盤表面干凈；用清水沖洗葉盤表面，去除殘留的清洗劑和雜質。

清洗完畢后，需要對葉盤進行涂油處理。常用的涂油劑有潤滑油、防銹油等。涂油的基本步驟如下：將葉盤放置在涂油機內，確保葉盤固定牢固；向涂油機內加入適量的涂油劑，確保油劑能夠覆蓋葉盤表面；啟動涂油機，均勻地在葉盤表面涂抹涂油劑；根據需要，可以多次涂抹涂油劑，以確保葉盤表面完全覆蓋；用干凈的布或紙巾擦拭葉盤表面，去除多余的涂油劑。需注意，在涂油過程中要控制好涂油劑的溫度和涂抹速度，避免出現氣泡或涂抹不均勻的情況，同時要定期檢查涂油劑的質量和有效期，確保其性能穩定可靠。

3.2 數控程序的編制

五軸數控機床具有5 個軸，分別為3 個移動軸（X、Y、Z）和2 個旋轉軸（A、B）。五軸數控機床的編程原理是將待加工的曲面分割成許多小的三角形網格，然后對每個三角形網格進行線性插補，實現刀具的路徑規劃。首先，選擇一個適合整體葉盤五軸數控編程的軟件平臺，這個平臺應具備強大的建模、仿真和編程功能。其次，根據葉盤的設計圖紙或實體模型，在軟件平臺上利用建模工具創建葉盤三維幾何模型，主要包括葉片、盤體和裝配接口3 個部分，如圖1 所示。葉片部分由葉片曲面、前后緣曲面和根部曲面構成。盤體部分由輪轂曲面和輪緣曲面構成。裝配接口部分由裝配面和定位孔構成。在建立葉盤幾何模型時，需要充分考慮各部分的形狀和位置關系。整體葉盤幾何模型的建立方法主要有計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）建模和逆向工程建模兩種。其中，CAD 建模方法通過參數或特征造型技術建立模型，常用的軟件有CATIA、SolidWorks 等；逆向工程建模方法則通過測量實際零件得到點云數據，再經過數據處理和曲面重構得到模型，常用的軟件有Imageware、PolyWorks 等。

工藝方案的制定應考慮葉盤的材料、加工要求和機床的性能等。利用仿真工具模擬加工過程，可以檢查加工路徑的正確性，預測可能的加工問題，以及優化切削參數。根據仿真結果和工藝方案，利用軟件平臺的編程功能生成五軸數控程序，即根據待加工曲面的特點選擇合適的刀具和切削參數，確定刀具的路徑和運動軌跡；將刀具路徑信息轉換為數控機床可接受的指令格式，生成G 代碼文件；通過計算機仿真技術驗證生成的數控程序，確保加工過程的正確性和安全性。在生成程序時，應確保其符合機床的控制系統和編程標準。最后將生成的數控程序輸入機床進行驗證，在實際加工前，應進行首件試切，以驗證程序的正確性和加工效果。根據試切結果，對程序進行必要的調整和優化，以確保最終的加工質量。

3.3 程序模擬及仿真加工

整體葉盤的五軸數控加工模擬主要是利用專業的數控加工仿真軟件模擬加工過程，以檢查加工過程的正確性和優化加工參數。具體步驟如下：利用CAD軟件建立整體葉盤的3D 模型，并導出為STL 格式文件；將整體葉盤的STL 文件導入數控加工仿真軟件；根據實際加工需求，設置切削參數、刀具路徑等加工參數；根據設定的加工參數模擬整體葉盤的五軸數控加工過程；分析模擬結果，檢查加工質量、刀具磨損等情況，以確定最佳的加工參數。在切削力仿真時，通常采用有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）方法，通過建立整體葉盤的幾何模型和材料模型，根據切削條件和刀具參數，應用切削力公式計算切削力，最后將切削力作為邊界條件應用于有限元模型中，仿真和分析切削力。在切削溫度仿真時，同樣根據切削條件和刀具參數，應用熱傳導方程計算切削溫度，最后將切削溫度作為邊界條件應用于有限元模型中，仿真和分析切削溫度。在工件變形仿真時，根據加工條件和工藝參數，應用彈性力學方程計算工件變形，最后將工件變形作為邊界條件應用于有限元模型中，仿真和分析工件變形。在刀具路徑仿真時，通常采用CAD 軟件建模和路徑規劃，根據加工條件和工藝參數，應用計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）軟件規劃和仿真刀具路徑，最后將刀具路徑作為輸入條件應用于數控機床中，進行實際加工操作。整體葉盤的刀具路徑仿真如圖2 所示。

圖2 整體葉盤的刀具路徑仿真

在整體葉盤的五軸數控加工仿真過程中，會產生大量的數據。切削力數據可以反映刀具與工件之間的相互作用力，通過分析切削力數據，可以判斷刀具的磨損情況，預測刀具的壽命。切削溫度數據可以反映切削過程中的熱量產生情況，通過分析切削溫度數據，可以判斷冷卻液的使用效果，以及優化冷卻液的噴射參數。工件變形數據可以反映加工過程中工件的變形情況，通過分析工件變形數據，可以判斷加工過程的穩定性，優化加工參數以減小工件變形。刀具路徑數據可以反映刀具在加工過程中的運動軌跡，通過分析刀具路徑數據，可以優化刀具路徑以減小刀具磨損和提高加工效率。加工時間數據可以反映加工的效率，通過分析加工時間數據，可以優化加工參數以縮短加工時間，提高生產效率。通過模擬整體葉盤五軸數控加工過程和分析仿真數據，可以得到有效的優化方案，提高整體葉盤的加工質量和效率，這種數據分析方法對于航空制造業的其他復雜部件的五軸數控加工也有著重要的參考價值。

4 結語

整體葉盤五軸數控加工技術是航空發動機制造領域的重要研究方向之一，通過深入研究整體葉盤五軸數控加工技術的關鍵技術、應用與發展趨勢，以及整體葉盤五軸數控加工及仿真，可以為航空發動機制造領域提供更加先進、高效的加工方法和技術支持。同時，隨著科技的不斷進步和創新，整體葉盤五軸數控加工技術將為航空發動機制造領域帶來更多的創新和發展機遇。