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殘余應力、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、類型及姿態等，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系。理論上增加刀軸傾角可以讓工件的表面質量更高，但是也會導致刀具干涉與振動，如何確定最佳的刀具姿態成為必須要考慮的問題。

1薄壁葉片五軸加工工藝

1.1.1 導入點集

1.1薄壁葉片建模

使用NX（NextGeneration）數字化產品開發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上，獲取葉片頂部和底部截面上的點集，將點集坐標保存到txt文件中。打開NX軟件，從任務欄中選擇“導入\"選項，在彈出的對話框中選中txt文件，即可導入點集坐標數據。

1.1.2 曲線擬合

成功導入點集后，從任務欄中選擇“藝術樣條曲線”選項，在彈出的對話框中設定參數，類型設定為“通過點”，參數化設定為“封閉”，次數設定為“2”。點擊確定后，以順時針方向從當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，在任務欄中選擇“通過曲線組”選項，將對齊方式設定為“弧長”，在當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

執行“倒圓角\"命令，將類型設定為“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 加工參數的設定

在使用NX10.0軟件完成薄壁葉片建模后，將模型導入PowerMILL2017軟件中進行刀具路徑規劃。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，各個階段的數控加工參數設定見表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系，目前常用的數控銑刀根據結構不同可分為鑲嵌式刀具、減震式刀具等，根據材料不同可分為陶瓷刀具、硬質合金刀具、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，加工時對刀具的負載較小，可以選用硬質合金類刀具。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見表2。

1.2.3 刀具路徑的設置

在薄壁葉片的制造中使用到的加工方式有點銑法和側銑法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，并且刀具磨損嚴重。在側銑法中，使圓柱銑刀的側刃進行加工，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銑加工，刀具路徑設定為“外環偏置”模式，自的是讓殘余應力均勻分布；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，刀具路徑設定為“螺旋走刀\"模式，配合一定的側傾角避免碰撞，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格控制。其中，刀具姿態是影響薄壁葉片加工質量的重要因素，為了確定最佳的刀具姿態，選擇“刀軸傾角”這一指標設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，刀軸側傾角在 5^°～30^° 之間是比較合理的。本實驗中將刀軸側傾角分別設定為 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橋式三坐標測量機測量加工完成后的葉片變形量。該機器的三坐標量程分別為 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，要在橋式三坐標測量機中構建工件坐標系，該坐標系包含了6個自由度，其中3個為平動自由度 （X，Y，Z），3 個為轉動自由度 （A，B，C） 。工件坐標系的構建步驟如下：

步驟1：找正。確定工件坐標系的第一軸。

步驟2：旋轉。以第一軸為基準，旋轉確定第二軸再根據笛卡爾坐標系原則確定第三軸。

步驟3：設定原點。用基準確定坐標系的3個零點，將 X，Y，Z 這3個方向上對應的3個原點，分別平移到3個基準的測量特征上，即可得到工件坐標系。

工件坐標系建立起來后，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，彎曲變形量均呈現先增加后減小的變化趨勢。其中，最大變形出現在葉身高度 40mm 附近，從中段向葉片的葉根和葉間，彎曲變形呈現減小趨勢。橫向對比來看，在5^°～30^° 區間范圍內，刀軸傾角越大則加工變形量約小。

2.3.2 高度為 60mm 處截面內扭轉變形

在薄壁葉片的 60mm 高度處，截面扭轉變形情況如圖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，加工變形量越大。橫向對比可以發現，在刀軸傾角為 5^° 時，相同距離下的扭轉變形要高于其他角度，并且隨著刀軸傾角的不斷增加，薄壁葉片的扭轉變形越小。

2.3.3 不同高度截面的扭轉變形分布

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變形量均呈現出增加趨勢；并且刀軸傾角越大的情況下，相同高度下的扭轉變形量越小。

需要注意的時，當刀軸傾角超過 20^° 后，繼續增大傾角對控制薄壁葉片扭轉變形量的效果不明顯?？紤]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結束語

薄壁葉片作為航空、航天、船舶等領域的重要零件，對其加工精度有著嚴格的要求。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進行合理設定，達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，將該工藝參數設定在 15^°～20^° ，有助于獲得更高質量的工件，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確定位方法研究[J.建模與仿真，2022（2）：10-12.

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

[4]楊凡.新型高速五軸聯動加工中心立柱結構優化設計[J].機械工程與技術，2024（3）：11-12.

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