葉片型面數(shù)控加工變形控制夾具分析

中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司（遼寧 110043）

劉隨建 陳亞莉 劉建偉 李美榮

航空發(fā)動機葉片型面因其薄壁弱剛性結(jié)構(gòu)、復(fù)雜空間曲面形狀、材料切削性能差、輪廓與位置精度要求嚴格等特點，使得其加工即使采用先進的多軸加工設(shè)備和較好的刀具材料來進行加工，如果工藝措施不得當，依然不易獲得滿意的加工效率和加工質(zhì)量。其中加工所用夾具結(jié)構(gòu)在保證獲得滿意的精密加工效果方面也起到至關(guān)重要的作用。

某種雙軸頸葉片的加工因最初夾具結(jié)構(gòu)上考慮的欠缺，使得葉片型面加工質(zhì)量既存在裝夾變形造成的影響，也存在由于葉片剛性不足而受到切削力作用的變形影響，其中后一種情況的變形影響，會因為葉片材料切削加工性差，刀具易磨損現(xiàn)象的存在而更加不易控制，其不僅使葉片型面的加工難以穩(wěn)定地獲得加工精度的保證，也限制了切削參數(shù)改變所帶來的加工效率提高。為此，我們通過對葉片型面結(jié)構(gòu)特點、幾何精度要求和加工方式特點的綜合分析，設(shè)計了合理的夾具結(jié)構(gòu)，使葉片型面的加工既獲得了滿意的加工精度質(zhì)量，同時也掃除了通過改變切削參數(shù)進行效率提升所存在的潛在障礙。

一、夾具結(jié)構(gòu)因素產(chǎn)生問題分析

1.產(chǎn)生的問題

某種雙軸頸葉片結(jié)構(gòu)如圖1所示，由兩端軸頸和緣板及中間型面三個主要部分組成，要加工的葉片型面結(jié)構(gòu)具有三維空間曲面形狀（見圖1、圖2），型面的幾何尺寸精度要求是保證自身的形狀精度和相對于葉片規(guī)定基準面的位置精度。

由于葉片型面結(jié)構(gòu)為空間三維曲面形式，其成形加工選擇五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心設(shè)備，葉片型面最初的加工定位方式是，使用與設(shè)備前端回轉(zhuǎn)軸聯(lián)接的專用夾具，對葉片前端軸頸外圓表面A、角向平面D、前端緣板端面B進行定位和相關(guān)的壓緊，使用設(shè)備后端回轉(zhuǎn)軸上的頂尖對葉片后端端面頂尖孔進行頂緊。葉片加工為數(shù)控程序控制的螺旋回轉(zhuǎn)銑削，加工軌跡如圖3所示。

圖1 葉片結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 葉片型面加工形位精度要求示意圖

圖3 螺旋銑削走刀路徑示意圖

利用該種加工方式加工葉片型面存在的問題是，葉片型面中部區(qū)域在Y方向有向一端偏移的現(xiàn)象，中部型面比較于兩端型面有偏厚現(xiàn)象，葉片型面曲面外端較薄部位具有偏厚現(xiàn)象，其中型面偏厚現(xiàn)象隨著單把刀具加工件數(shù)的增加而更加嚴重。以上現(xiàn)象的存在，使葉片型面加工的精度保證穩(wěn)定性較差，單把刀具加工葉片數(shù)量受到極大限制，加工參數(shù)調(diào)整所決定的效率水平提高也受到較大限制。

針對以上現(xiàn)象存在，通過對葉片結(jié)構(gòu)與材料性能特點進行分析得出的判斷是，葉片在加工時的定位壓緊方式不合理，并且夾具結(jié)構(gòu)在防止加工變形方面也欠缺考慮。為此，我們進行了相關(guān)的技術(shù)完善和試驗工作。

2.產(chǎn)生問題的原因

（1）葉片裝夾定位產(chǎn)生的變形影響 葉片型面加工時，采用前端軸頸外圓表面抱緊方式進行定位，后端軸頸采用端面頂尖孔頂緊方式進行定位，由于葉片型面剛性較差，葉片頂緊力控制不當時，容易造成葉片型面部位產(chǎn)生彈性彎曲變形現(xiàn)象，而葉片型面的加工也就成為了在彈性彎曲變形情況下的加工，假設(shè)葉片加工不存在其他現(xiàn)象的變形影響，則葉片型面在頂緊力存在情況下，其加工的型面是合格狀態(tài)的，但是在頂緊力撤除后，葉片的彈性彎曲變形消失，加工的葉片型面各處在自然狀態(tài)下也就呈現(xiàn)出位置上的差異，由于葉片型面中部在頂緊力作用下的彎曲變形程度最嚴重，因此該部位在加工后產(chǎn)生的偏移程度最大，葉片型面中部也就常常會出現(xiàn)偏移位置精度超差的現(xiàn)象。

（2）葉片型面加工過程中產(chǎn)生切削力變形影響原因分析 由于葉片型面屬于薄壁性質(zhì)，而葉片材料又大多為難加工的鈦合金和高溫合金材料，切削力較大，葉片加工時處于較大的懸臂狀態(tài)，切削加工時由于切削力的影響，葉片將產(chǎn)生回彈變形，回彈變形在葉片型面的不同部位具有不同的變形影響，變形最大部位為剛性較差的型面中間部位和型面與緣板不存在聯(lián)接關(guān)系的部位（見圖4），并且葉片型面加工的切削力變形影響隨著刀具的磨損影響逐步加大，同一把刀具連續(xù)加工幾片葉片的情況反映是，葉片型面的變形不斷加劇，其加工的突出反映是型面厚度不斷增加，受到葉片材料批量生產(chǎn)時熱處理溫度控制允許誤差以及爐溫均勻性有差異的影響，每個葉片材料加工性會有不同變化，其與刀具磨損及葉片型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜性因素的交互影響，使得葉片間的變形情況沒有較強的規(guī)律性，在葉片型面幾何精度要求比較嚴格的情況下，其加工精度的保證非常困難。依據(jù)于程序的預(yù)變形控制加工，在很多情況下不能達到理想效果。

圖4 葉片型面剛性較弱區(qū)域示意圖

二、夾具結(jié)構(gòu)改進方案

1.裝夾變形因素控制改進思路方案

依據(jù)葉片型面加工前裝夾定位形式造成變形現(xiàn)象的分析，考慮進行的改進是：將葉片后端軸頸端面頂尖孔頂緊的定位壓緊方式，改變?yōu)楹蠖溯S頸外圓表面的定位壓緊方式，該種壓緊方式由于避免了型面部位對力的傳遞作用，從而避免了壓緊力使葉身型面產(chǎn)生彈性彎曲變形的現(xiàn)象，這樣也就使葉片型面加工所形成的位置精度不受到壓緊力的影響而發(fā)生變化，從而消除了該因素所產(chǎn)生的葉片型面中部偏移位置精度超差的現(xiàn)象。

2.加工切削力變形影響因素改進思路方案

葉片型面在切削力影響下的變形現(xiàn)象，其主要原因是葉片型面部位在結(jié)構(gòu)上具有薄壁性質(zhì)，葉片材料具有使刀具易磨損的難加工性質(zhì)，并且由于葉片的加工屬于批量性加工，大量葉片毛料提供的材料性能與熱處理后形成的材料加工性又有一定的差異，這樣就使得葉片型面在每次加工和加工過程中產(chǎn)生的切削力影響有較大的差異，加工的變形影響也就比較復(fù)雜。

綜合上述現(xiàn)象分析，可以確定的控制葉片型面加工切削力變形的最好措施應(yīng)該是對其結(jié)構(gòu)剛性施加增強措施，由于葉片型面為復(fù)雜的空間曲面結(jié)構(gòu)，在夾具結(jié)構(gòu)上要進行整體部位的增強具有比較大的難度，為了使夾具工藝增強措施更容易實現(xiàn)，我們最終選定的方案是使最大變形影響得到大幅度降低的方式，按照簡支梁受力變形最大撓度理論分析 ，葉片型面加工切削力影響的最大部位是葉片型面中部，而圖4所示的葉片型面A、B、C、D四個部位具有懸臂性質(zhì)，其也是受切削力變形影響較大的部位。為此，確定的夾具結(jié)構(gòu)改進思路是：在葉片型面前、中、后三個部位設(shè)置輔助定位樣板，通過葉片型面剛性薄弱部位得到增強的措施，使葉片型面加工變形影響程度獲得很好控制。

3.變形控制夾具結(jié)構(gòu)形式

葉片型面加工夾具使用輔助定位系統(tǒng)后，其型面的加工方式將改變?yōu)榕鑲?cè)表面（凹面）和背側(cè)表面（凸面）分別進行的加工方式，加工路徑變化為縱向銑削方式（見圖5），該種加工方式實質(zhì)上可以在兩道工序中對葉片型面進行加工，夾具也可以制造為分別對單獨一面型面進行支撐的形式，但是，對于型面加工精度要求較高的加工而言，將存在由于葉片兩次裝夾定位而帶來的定位誤差影響，并且也會存在由于設(shè)備等工藝系統(tǒng)誤差因素給葉片型面精度保證帶來復(fù)雜影響。為此，夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計所進行的考慮是，將葉片兩側(cè)型面加工使用的輔助定位系統(tǒng)設(shè)計為可自由拆卸方式，在葉片進行一次裝夾的情況下，根據(jù)加工型面兩側(cè)曲面形式的不同，分別安裝不同的輔助定位系統(tǒng)。最終的夾具結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 縱向銑削走刀路徑示意圖

圖6 葉片變形控制夾具示意圖

夾具主要由四部分組成，即葉片加工基準定位系統(tǒng)1、2和型面輔助定位系統(tǒng)3、4。夾具基準定位系統(tǒng)1、2（簡稱為前端夾頭和后端夾頭）與機床回轉(zhuǎn)主軸聯(lián)接在一起，前、后端夾頭通過對葉片軸頸外圓表面的定位，限制兩個移動和兩個移動扭轉(zhuǎn)自由度，前端夾頭通過對葉片前端軸頸上平面D（見圖1）的定位限制其圍繞軸線回轉(zhuǎn)的自由度，葉片裝夾時，使其B表面（見圖1）靠緊前端夾頭上與定位孔垂直的端面而實現(xiàn)對其沿軸線移動自由度的限制。該種定位方式避免了原來葉片型面加工安裝定位系統(tǒng)易產(chǎn)生的變形影響。

型面輔助定位系統(tǒng)3、4（簡稱為盆、背輔助定位系統(tǒng)）的作用方式是：葉片先安裝到夾頭1、2上，在加工盆（或背）型面前，將背（或盆）輔助定位系統(tǒng)先安裝上，輔助定位系統(tǒng)上有三塊定位樣板，三塊定位樣板通過底部彈簧的作用自然地與葉片型面盆（或背）部曲線貼合，對三塊定位樣板利用側(cè)面螺釘進行鎖緊，使樣板與定位系統(tǒng)由活動聯(lián)接轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂月?lián)接，從而實現(xiàn)了對葉片型面加工時的輔助定位功能。葉片盆（或背）型面加工后，將盆（或背）型面輔助定位系統(tǒng)安裝上，對其上的定位樣板進行鎖緊操作后，利用機床主軸回轉(zhuǎn)功能將夾具翻轉(zhuǎn)180°，再將背（或盆）輔助定位系統(tǒng)卸下，起動機床對葉片背（或盆）型面進行加工，從而實現(xiàn)對葉片型面一次裝夾前提下的完整加工。

輔助定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7～圖9所示，其主要的功能部件是：與前后夾頭1、2聯(lián)接的底板“3（4）－1”和對葉片型面作用的輔助支撐樣板“3（4）－2”，輔助定位系統(tǒng)底板兩端與夾頭的聯(lián)接處，分別有兩個定位銷和一個穿螺栓的孔，兩個定位銷與前、后夾頭的對應(yīng)銷孔配合定位后，利用螺栓將定位系統(tǒng)分別擰緊到夾頭上。

圖7 背（盆）輔助定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖8 盆（3-2）輔助支撐樣板

圖9 背（4-2）輔助支撐樣板

三、試驗加工

1.使用設(shè)備與安裝調(diào)整

加工使用的設(shè)備，其兩端安裝夾頭的主軸具有同步回轉(zhuǎn)功能，夾具前后端夾頭與機床主軸安裝時，要進行正常的找正以保證同軸精度，然后要對前、后端夾頭安裝輔助定位板的平面進行平行度要求的找正，以保證輔助定位系統(tǒng)樣板型面與裝夾的葉片型面具有位置精度的準確，從而獲得良好的輔助定位效果，輔助定位效果可以通過葉片安裝于夾具上，輔助定位樣板與葉片型面之間的間隙情況確定，一般應(yīng)保證局部間隙值小于0.03mm，并且保證樣板兩端無間隙。

2.葉加工變形控制效果趨勢

使用改進后的夾具進行葉片型面加工，其具有的效果趨勢是：葉片型面中部區(qū)域在Y方向有較大偏移的現(xiàn)象得到消除，觀察葉片型面前端、中部、后端三個截面的偏移數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)基本接近，多片葉片的結(jié)果顯示三個截面互相之間偏移數(shù)據(jù)大小不存在規(guī)律性，由此說明葉片在裝夾時“頂彎”的現(xiàn)象得到消除。

葉片型面中部區(qū)域偏厚的現(xiàn)象已經(jīng)不存在，觀察葉片型面前端、中部、后端三個截面輪廓精度誤差，其數(shù)據(jù)也比較接近，但有一個比較明顯的趨勢現(xiàn)象是：型面前端比較于型面中部、后端有偏薄現(xiàn)象，從銑削方式方面對此現(xiàn)象進行分析，型面前端非常接近于刀具開始銑削部位，刀具開始銑削的沖擊力和葉片有輔助支撐系統(tǒng)沒有了讓刀的現(xiàn)象，使得該處具有銑削量較大的現(xiàn)象。另外，使用一把刀具進行葉片型面銑削時，存在一個比較明顯的現(xiàn)象是，葉片盆面的進排氣邊型面部位有逐漸偏厚現(xiàn)象，其主要原因是，刀具在該處的切削力施加超出了輔助支撐對剛性增強的范圍（見圖10），隨著刀具銑削片數(shù)的增加，刀具的鋒利性逐漸減弱，切削力逐漸增加，也就造成該處的讓刀現(xiàn)象逐漸嚴重，由此，也從另一個方面說明葉片輔助支撐的剛性增強作用是非常明顯的。

圖10 葉片盆側(cè)進排氣邊型面局部增厚

四、結(jié)語

在型面精密銑削過程中，尤其是對于一些難加工材料弱剛性葉片的加工，其裝夾定位造成的變形必須給予很好的重視，對加工中產(chǎn)生的讓刀現(xiàn)象，使用合理的夾具結(jié)構(gòu)使葉片加工剛性得到增強，能夠使其對加工精度的影響得到大大降低，刀具性能影響的敏感性也會有較大的減小，對于效率的提高和成本的降低具有重要的意義。