航空發動機五軸數控加工技術探索

中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司 楊金發 張積瑜 朱靜宇 趙天楊

中國航發沈陽發動機研究所 梁宏坤

目前，國外航空發動機數控加工廣泛使用五軸數控加工中心，技術成熟。國內的精密加工中心，集成了整機設計、可靠性、熱變形補償等技術，基本達到國際先進水平。 我們在五軸數控加工技術方面，需要不斷研究并完善相關的工藝，提高五軸數控機床加工效率確保零件加工質量。在實際加工之前，迫切需要對選定的加工工藝進行零件精度預測和控制。五軸數控加工中心在低速區要有較大的轉矩，以利于快速去除材料，提高加工效率；在高速區要有良好的五軸動態性能，也就是說要有較高的加速度，尤其是回轉軸，防止出現五軸不同步造成的過切。五坐標加工中心最好采用電主軸，以利于精銑過程提高加工效率。

國外先進航空發動機

五軸數控加工中心大量應用在機匣、葉片、整體葉輪等零件及難加工材料的加工中。其中整體葉輪是航空發動機關鍵零件，其結構特點是：葉片薄而相對較長，扭曲大而極易變形，相鄰葉片空間極小。整體葉輪加工時，加工槽道逐漸變窄，剛度低，加工軌跡的約束條件較多，零件容易產生變形，極易產生碰撞干涉，刀具容易折斷，加工出合格的零件十分困難。

五軸數控加工刀具優化研究

整體葉輪精銑刀具的選擇，僅局限在對刀具直徑、齒數、錐度及總長四方面的要求，缺乏對刀具螺旋角、前角等影響加工質量和效率的參數考慮，成為制約葉輪制造能力提升的因素之一。

通過統計整體葉輪加工刀具在現場加工中經驗數據，對反映的問題系統地分析，與刀具制造商緊密協作分析查找影響加工質量、效率和刀具使用壽命的問題原因，通過優化刀具幾何參數和涂層等方法，實現提高產品質量和加工效率的目標。

整體葉輪

針對加工整體葉輪裝夾刀具的刀柄進行優化，采用小長徑比、熱漲刀柄和小直徑整體硬質合金銑刀相結合的方案，進行整體葉輪的精銑加工，以期提高加工刀具系統地整體剛性，減少因采用大直徑銑刀精銑葉身型面帶來的讓刀，提高葉片表面質量，降低零件的制造成本。

優化后的加工刀具與完善后的葉片銑削策略相結合，以實現加工效率和表面質量兩項指標的綜合最優為目標，對現用非標錐度球頭銑刀的螺旋角、前角、刀具齒數等刀具結構參數與加工過程中所采用的每齒進給量、主軸轉速、切削線速度等切削參數進行正交試驗，以確定優異的葉型精銑加工刀具，并形成整體葉輪刀具選擇指導說明書。

同時，針對密齒刀具加工的高效性以及有效緩解加工振動的作用，開展新型刀具的切削試驗，以減小葉片表面振紋的產生。

復雜曲面五軸數控加工過程控制

五軸數控加工存在的誤差因素有：機床幾何誤差，機床各部件存在制造安裝誤差，刀具幾何誤差，刀具的長度及半徑較理論值存在偏差，夾具幾何誤差，夾具定位面、定位銷等存在幾何誤差，工件的定位誤差，工件裝夾中由于基準不重合或基準偏移造成的工件在加工坐標系中的位置誤差。

五軸聯動機床銑削葉片時，機床主軸的擺角功能滿足了葉片型面曲率變化所對應的切削受力一致的要求，同時利用A 軸可實現刀具相對工件進行環繞加工，這對控制葉片受力變形十分有利。

五軸數控加工中心在加工整體葉輪時，其切削加工過程是一項復雜的系統工程。對數控刀具、刀柄、冷卻系統等硬件及零件在線檢測、數控程序后置處理、加工過程自適應調整等過程控制手段有嚴格地要求。針對葉身型面成形的關鍵因素，需要從刀具的加工前精度控制、加工中的磨損反饋、機床主軸功率監控、技術防錯措施的應用等方面開展數控加工過程質量控制研究。

需要針對數控程序后置處理與機床控制系統加工參數匹配的一致性開展工作。由于整體葉輪葉片為復雜曲面形狀，因此采用MAX-PAC等專用軟件編制完成的數控程序，需要通過專用的機床后處理文件翻譯成每臺機床能夠識別的G代碼數控程序。這項工作非常重要，需要對每臺數控機床控制系統非常了解，在數控程序中匹配加工復雜型面的五軸控制指令，發揮機床的控制系統的最大潛能，通過針對性的工作進一步開發完善加工整體葉輪五軸機床的后置處理器，提高零件的加工質量和加工效率。

為了保證程序的正確性、可加工性，減少實際試制時間，在VERICUT軟件上進行仿真加工。通過仿真可對程序進行分析，發現在加工中是否過切、欠切。特別是刀具軸變化有特殊要求，旋轉角度有限制的程序，可通過仿真確保刀軸變化平穩過渡。還可以通過仿真，了解機床在真正加工時所處的狀態。應用VERICUT軟件還可以對數控程序進行優化，最大限度保證數控程序的正確性和合理性。對于仿真結果不理想的程序，則要重新修改，直至仿真結果符合加工要求。

整體葉輪葉身型面數據預處理技術

數據的預處理包括對截面線的光順處理和制造模型重構兩方面工作。通過在UG計理論數據進行截面數據的光順處理，并進一步開展對三維曲面的總體表面優化，以得到更有利于實現表面優質成型的基礎模型。通過對進排氣邊緣形狀的調整，以保證光飾處理后前后緣形狀滿足設計要求；通過構建非均勻余量模型，提高銑削系統剛性，保證銑削加工質量。

五坐標整體葉輪銑削振動抑制

運用CAM軟件在自動生成典型零件刀具軌跡時，只考慮到幾何特性，沒有過多考慮機床的動態特性，生成的數控程序在VERICUT等仿真軟件上結果很正確，但往往在實際加工時，由于受到切削系統受力變形及機床振動的影響，數控加工效果不很理想。工件表面質量較差，甚至會產生過切和欠切等現象。這就需要以典型零件試驗件為載體，進行加工過程的顫振穩定域建模分析，實現零件的顫振抑制；優化切削參數，提高加工效率和加工表面質量、抑制加工振紋；對整體葉輪加工振動檢測，獲取振動的特征幅值與對應的頻率；對刀具在加工過程中進行可靠性評估，對加工過程刀具的狀態進行有效監測，根據刀具的使用壽命，及時更換刀具，保證加工質量。消除或減少零件表面產生的顫紋，提高零件表面質量。

提高五軸數控加工技術應用水平基本策略

（1）整體葉輪類零件加工時對刀具的選擇比較嚴格。選擇刀具時應綜合考慮毛坯的材料、機床類型、允許的切削用量、刀具剛性和耐用度、精度要求采用熱脹刀柄減少裝夾次數，縮短加工準備時間；整體葉輪類零件粗銑加工采用層銑+變位插銑，同時提高銑加工線速度。精銑加工采用密齒銑刀可大幅提高加工效率。五軸數控銑削精度高、可重復性強，銑刀采用國產化刀具可大幅降低生產成本。因此要大力推廣先進國產數控加工刀具。

（2）在數控編程前，要熟悉機床設備的性能及其技術參數。數控編程時，編程人員要分析零件的材料、幾何形狀、尺寸大小、加工內容、加工精度、技術要求、熱處理等。在分析的基礎上確定加工方案、加工路線、工裝夾具、定位夾緊方法對刀點、換刀點等，并合理選定機床、刀具和切削用量（銑削用量）等。

（3）高效加工技術方面，小切深、大進給面銑高效加工技術：該技術在機匣、整體葉輪粗銑加工應用成熟，不僅提高了加工效率，而且減少了對數控加工設備的損耗，延長了設備使用壽命。采用五軸聯動變位插銑技術：該技術在整體葉輪、部分機匣上的應用，保證刀具長徑比在大于5的情況下，仍然可以保持高效加工。

（4）強化五軸數控加工過程質量控制，研究慮動態誤差因素對加工質量的綜合影響，如五軸機床伺服誤差和熱誤差、工藝系統受力/熱變形誤差、刀具磨損產生的誤差等，形成標準的工藝流程。研究采用國際上成熟的數控加工自適應控制軟件。整體葉輪數控加工程序量非常大，由于采用五軸加工，加工過程中刀具切削參數始終在動態變化，在轉接圓角等位置切削力變化劇烈，因此有必要采用專業切削力分析軟件對加工過程中切削系統受力情況進行仿真分析，獲得優化的切削參數。

結語

五軸數控加工主要通過控制刀軸矢量、投影方向和驅動方法來生成加工軌跡。加工關鍵就是通過控制刀具軸矢量在空間位置的不斷變化或使刀具軸的矢量與機床原始坐標系構成空間某個角度，利用銑刀的側刃或底刃進行切削加工。航空發動機典型零件如機匣、整體葉輪等的加工質量和加工效率是提高制造技術水平的關鍵，在實際加工過程中需要針對典型零件加工誤差和加工效率的關系，建立誤差與效率的綜合評估模型，使得在加工誤差允許范圍內，不斷提高加工質量和加工效率。需要對典型零件加工過程中動力學和熱力學引起的刀具和工件變形進行預測和計算分析，并研究工件變形的控制及其補償技術，形成完善的加工工藝?！?/p>