某薄型葉片高效精密數控加工工藝研究

摘要：本文通過攻關試驗解決了某薄型葉片難加工材料數控銑葉身型面彈性變形大，加工精度低、效率低的問題，實現了薄型葉片的高效精密數控加工。本文涉及到薄型工件的剛性優化技術；高效銑加工技術；難切削材料的刀具選擇等幾個問題。

關鍵詞：彈性變形；剛性優化； 高效加工；數控加工

中圖分類號： TK416+.1 文獻標識碼：A

1概述

葉片作為一種復雜的透平機械零件，在航空發動機中，起著能量轉換的關鍵作用，是提高航空發動機推重比的關鍵部件。某機靜子葉片作為薄型難加工材料的典型零件，數控加工過程中存在著嚴重的彈性變形，變形量0.10～0.25mm。為了控制和改善數控加工過程中產生的變形，提高數控加工精度和產品的合格率，根據對影響其變形及加工質量的幾個重要因素的分析，通過大量攻關試驗，達到了對薄型難切削材料葉片加工過程中變形的控制及改善；實現了此類薄型葉片小余量的穩定加工；實現了寬行高效數控銑削技術；達到了行業內同類葉片數控加工的最高水平。實驗所采用的各項技術及方法也為其它薄型葉片的數控加工提供了經驗與技術。

2 技術難點

2.1 零件類型、加工難點及特殊性

此葉片為薄型葉片，兩端為軸頸，且軸頸長度不一致。長寬比例大，材料為高溫合金，屬于難加工材料，切削時容易出現燒傷和彈性變形。同時，葉身的角向定位是大軸頸上寬度非常窄的小扁，夾具角向定位難且加工葉身型面過程中易產生扭轉透光。因此必須在加工系統剛性優化、刀路軌跡優化、切削參數選擇等方面進行改善，從而減小變形，提高數控加工質量。

2.2 精度要求

設計要求的尺寸精度高，技術條件嚴格。葉身型面邊緣厚度薄，葉身輪廓度公差小，葉身型面扭轉大。

3 試驗

3.1 材料

葉片的材料為高溫合金，硬度非常大，切削加工性能較差。

3.2 設備

試驗所采用的是國外先進的高速數控銑床。該設備尾座處配備有與另一端同步轉動的U軸，在此葉片的數控加工中起很好的對心作用。

3.3 變形的控制及改善

影響葉片變形的因素主要有以下幾個方面，下面將分別對其進行分析并闡述試驗所采取的措施。

3.3.1裝夾系統的穩定性及剛性對葉片變形的影響及控制

裝夾是否穩定，重復精度如何及夾緊力的大小是影響變形的主要因素。葉片為弱剛性體，增強裝夾系統剛性是解決薄型葉片變形的最主要途徑。

3.3.1.1 增強裝夾系統剛性

以往數控加工葉身型面時，采用頂尖頂緊小軸頸處頂尖的方式，

此葉片非常薄，在頂緊力的作用下，葉身型面變形非常明顯，加工過程不平穩。改進后采用抱緊軸頸的方式，自設U軸處夾頭（如圖1）。

葉片兩端均采用抱緊軸頸的方式且此結構裝夾好葉片后手動將U軸坐標向拉緊小軸頸方向前進0.03mm，拉緊葉片而不是頂緊葉片的裝夾方式。采用此種方法大大加強了這種薄型易變形葉片加工精度及穩定性，使葉片變形量減少到最小。

3.3.1.2 增強裝夾系統穩定性

裝夾系統的穩定性對提高數控加工合格率起著非常重要的作用。裝夾系統穩定了，加工狀態一致性較好，合格率自然就得到了提高。

3.3.2切削過程是否穩定，切削力是否均勻對變形的影響及控制

優化走刀路徑，優化加工順序，合理分布粗精加工余量，預留均勻切削載荷，是保證切削過程穩定的主要途徑。

3.3.2.1優化走刀路徑

①切邊程序

毛料邊緣余量較葉身大很多，需要編制一個切邊程序。

原程序采用沿圓弧R最邊緣法向切削一次，為粗加工留0.6余量的方式。切邊加工是葉片數控加工過程中產生變形量最大的一個，軸頸變形量約0.25左右。現切邊程序開發出TS80軟件新功能，沿進排氣邊R表面均勻抽取三條驅動線，沿三條不同矢量方向的驅動線進行切削邊緣余量，分二次切削，余量由0.9至0.45。經測量證實，葉片軸頸變形量約0.1左右。以此減少了切邊程序所產生的變形且進排氣邊余量變得更為均勻。

②合理的粗精加工

據葉片毛料的實際特點，分粗銑、精銑兩次同步進行葉身型面的加工。

粗銑部分主要是去除葉身表面的毛料硬化層，為精加工預留均勻的切削載荷，保證精銑的加工質量。由于毛料余量不均，想完全去除硬化層，需為精加工留0.35mm的加工余量。精銑部分采用順銑的切削方法，去除的材料較均勻，且采用曲率梳較好的曲面作為驅動面，防止了加工過程中常出現的顫紋及凹坑等缺陷，表面質量可以達到Ra0.8以上。

4高效加工技術與刀具的選擇

4.1關于高效加工

高效加工最合理的解釋是：在有限的時間內，最大限度去除材料。國外研究數據顯示，增加切削參數20 % ，約可降低單件制造成本15%。數控加工的發展就是粗加工采用寬行大切深大進給，精加工采用高轉速，高進給的高速加工。無論是粗加工還是精加工，隨著切削速度的提高，切削溫度會有下降的趨勢。這說明，采用了更高的切削速度和進給速度，允許采用較小的切削用量進行切削加工。由于切削用量的降低，切削力和切削熱隨之下降，工藝系統變形減小，可以避免銑削顫振。利用這一特性可以通過高速銑削工藝加工薄壁結構零件。

4.2數控刀具的技術要求

高溫合金材料要求刀具鋒利，一般情況下宜選取較小正前角，較大后角，較大工作主偏角。對于粗加工，斷續切削容易產生振動的加工工序，宜采用中等顆粒或含量較高的超細顆粒硬質合金；對于精加工，必須考慮切削過程對表面完整性的影響，如限制后刀面磨損帶，及時刃磨等。根據以上特點和以往經驗，粗加工選用了Ф10R2銑刀，精加工選用了Ф10R1銑刀，切削時選擇適當的冷卻液，加冷卻液時應考慮充分冷卻并不間斷。

4.3切削參數與數控高效加工技術相結合

葉型粗加工大膽地采用了寬行銑削技術，根據葉型結構特點，保證葉身不過切的情況下，給定粗加工用刀Ф10R2的前傾角為10°，允許加工后的殘留高度為0.1 mm，計算出刀具步距為3.75 mm，在理論切削參數的計算下，又提高了進給系數，進給達500mm/min，一片葉片粗加工僅用時9分鐘。精加工用刀Ф10R1的前傾角仍選用10°，允許加工后的殘留高度為0.005 mm，計算出刀具步距為0.75，進給達800mm/min，一片葉片精加工用時21分鐘。經過計算加工效率相對于傳統加工效率提高了約50%，合格率達到95%。

結語

掌握了高溫合金薄型葉片的數控加工工藝；控制了加工系統的穩定性；有效地控制了葉片變形問題；提高了生產效率 。為其他高溫合金零件加工提供了寶貴經驗。

參考文獻

[1] 透平機械現代制造技術叢書》[M]. 科學出版社出版.

[2] 夾具設計手冊[M].國防工業出版社出版.

[3] 航空工藝裝備設計手冊 .