焊接葉盤組合件加工探析

程衛祥

摘 要：本文論述的是焊接結構整體葉盤組合件的加工方法。所介紹的零件為發動機壓氣機風扇三級焊接結構整體葉盤組合件。零件材料為鈦合金材料，通過葉片、葉環、盤焊接而成。本文從零件精度要求、加工工藝路線介紹了葉盤整體情況，從葉銑削、車削加工中的零件裝夾、程序編制、加工參數、刀具選用和切削用量等方面介紹了加工方案。

關鍵詞：整體葉盤；數控銑；焊接；數控車

中圖分類號：V261 文獻標志碼：A

0 引言

隨著制造技術的不斷提高，在航空領域上整體葉盤作為一種新技術得到了廣泛的應用。特別是在新研制的高推重比航空發動機上得到了推廣應用，是新一代發動機必需的關鍵技術。

國外發達國家整體葉盤技術在幾十年前就已經開始研究，現在已在高推重比發動機上實現了應用。

1 研究目標

1.1 目的

焊接結構整體葉盤研究的主要目的就是突破焊接結構整體葉盤的制造技術，積累焊接結構整體葉盤的加工經驗，掌握下一代發動機關鍵制造技術。

1.2 零件類型

該零件焊接結構整體葉盤類零件，該零件全部以焊接連接，有41片葉片焊接成葉環，然后葉環和盤再焊接成整體葉盤。

2 研究內容

2.1 葉盤組合件加工工藝

2.1.1 精度及技術要求

焊接結構整體葉盤組合件尺寸精度要求高，尺寸精度為IT7級，非配合表面的尺寸精度為IT8～IT10級。幾何形狀精度要求嚴格，葉根流道處輪廓度0.02。相互位置精度要求基準面A和B之間的垂直度為0.02mm，內孔對A、B的跳動量為0.03mm。外圓對基準面的跳動量為0.03mm。孔的位置度為0.1mm。表面粗糙度要求Ra0.8。

2.1.2 零件的加工工藝

根據該零件屬薄壁零件、結構復雜、易變形，材料加工性差，而且尺寸精度高、相互位置精度高等特點。制定如下工藝方案（1）：

首先將零件的加工余量分兩個階段去除：第一個階段在零件焊接前除去大部分加工余量，為防止焊接變形，給精加工留1mm～2mm的加工余量。第二個階段除去剩余的加工余量，包括葉片部位的加工余量、盤上面的加工余量。

特種工藝的安排：由于該零件為焊接件，增加超聲波檢查、腐蝕檢查等檢查內容安排在單件上進行，在組合件上只進行熒光檢查。在焊接后消除應力，安排真空熱處理工藝。

精銑葉片：由于零件剛性差，加工余量少，精度要求高，加工過程易變形。因此加工中要選用精密的機床，同時選擇合理的工藝裝備和工藝參數。

3.1.3 葉盤組合件工藝路線

焊接→焊后檢查→尺寸檢查→修復基準→鉆基準孔→ 切斷工藝凸臺→精銑葉片→精車盤→鉆鏜孔→修磨葉尖→拋光→熒光檢查→測頻→檢驗。

3.2 葉盤組合件銑削加工

葉片型面復雜、扭角大、精度高。葉片銑削時需要五軸聯動進行加工，葉片長度為120mm，因此在銑削時，刀具易顫動，剛性不好。所以加工中需要解決五坐標編程問題，刀具顫動問題，零件變形問題。為解決以上問題，在數控銑削中做出以下安排：

3.2.1 零件的裝夾

為保證夾緊力和防止零件變形，在加工中采用專用工裝裝夾，加工前找正內徑跳動量不大于0.015mm，端面跳動量不大于0.015mm，定好基準面，壓緊面、角向基準。

3.2.2 編制五軸聯動數控銑削程序

在整個銑削過程中，數控銑削程序編制是最復雜的。首先確定銑削加工方案，根據銑削余量2mm，將銑削分為粗銑加工和精銑加工。根據加工部位將銑削過程分為銑削葉片葉身，銑削流道，清根加工3種方式。在編程中銑削方式采用螺旋式銑削、點接觸銑削，由于數據量大，采用軟件編程，編程方式參考UGCAM教程（2）。

同一把刀具可以連續銑削3片～5片葉片，銑削葉片長度在0.1個葉身長度，這樣可以保證在銑削過程中避免由于換刀造成接刀痕出現；刀具進給采用變速切削模式，在銑削葉片靠近進排氣邊緣時，切削速度減半，這樣可以避免刀具在刀軸角向變化過大時，過切或欠切削零件，保持切削速度的穩定。

刀具的選用：在選擇加工刀具時應考慮被加工零件表面形狀、工件材料的性質；零件的加工精度及所選用的設備、冷卻液等因素。在加工葉身型面時需用三把種刀具才能完成整個零件的銑削任務。

粗銑刀具：刀具為鑲齒式硬質合金銑刀，主要由于刀片便宜，可以降低加工成本，又能滿足加工要求，刀具長度160mm，刀具直徑ф16，半徑r8。

精銑刀具：選擇精度高，剛性好的整體硬質合金銑刀，刀具長度160mm，刀具直徑ф16，半徑r8。

清根加工：由于葉片根部半徑的限制，刀具半徑不能超過葉片根部的半徑值。為此只能選用刀具的切削部位為ф10的球頭銑刀，但是由于刀具長度過長160mm，這樣長的刀具在加工時必然由于刀具剛性不好引起振動。為此需要設計專用的切削刀具，減少刀具振動等不利因素。解決這個問題在加工中可以采用球頭角度銑刀，也可以采用閉式葉盤的加工方法，在銑削葉片根部時，從葉片的進排氣邊緣分別進刀，這樣就可以縮短刀具的長度，但增加了接刀痕等不利因素。如何克服這些不利因素，需要在實踐中繼續探索和試驗。

數控程序編制：由于是五軸聯動，而且是點銑加工。因此在編制程序時需要大量的數據進行計算，必須采用計算機進行程序計算。在編制程序過程中我們采用了一種專用的編程軟件，可以快速的、高質量的完成數控程序的編制工作，大大的提高了編程效率和編程質量。

數控設備：五坐標加工中心，工作臺行程在1000mm以上，擺頭角度90°～-30°，也可以選用帶有翻轉工作臺的加工中心，翻轉角度0°～90°，設備精度要求較高，這樣才能滿足加工要求。

3.3 葉盤組合件車削加工

葉盤組合件車削主要是保證盤體的尺寸及其精度要求，以及盤與葉片之間的相對位置精度等要求。如何保證精度要求，需要進行大量的試驗和研究。在刀具選型，制定走刀方式，加工方法等方面需要全面考慮。

3.3.1 零件的裝夾

葉盤車削加工同銑削一樣，在加工中采用專用工裝裝夾，在加工中需要替換壓板，因此應注意換壓板時造成零件的移動。

3.3.2 刀具的選用

根據被加工零件表面形狀，零件的加工精度。在加工盤型面時用三把種刀具才能完成整個零件的車削任務。

車端面刀具：由于端面開放性好，因此可以選用刀片強度高的刀具，刀具為機夾式硬質合金80°菱形刀片，也可以采用焊接硬質合金刀片。

車型面刀具：由上圖可以看出，盤的型面復雜，加工精度高，因此選擇精度高，剛性好的30°菱形刀片。

車槽刀具：在加工葉盤過程中，有兩種類型的槽。一種是端面槽，一種是徑向槽。這兩種槽都比較深，開放性不好，因此可以選用專用車刀進行車削。

車徑向槽刀片參數為：刀片厚度5mm， ф6球頭槽刀刀片，材料為硬質合金。

車徑向槽刀柄：90°鑲嵌式機夾刀柄。

車端面槽刀片參數為：刀片厚度5mm， 刀片寬度5mm，刀尖半徑r0.4槽刀刀片，材料為硬質合金。

車端面槽刀柄：鑲嵌式機夾刀柄。

3.3.3 切削用量

在制定切削用量時根據零件的加工精度、表面粗糙度、被加工零件的材料性質、刀具耐用度等因素來確定。車型面采用沿輪廓走刀，進給量0.1 mm/r ～0.3mm/r。車槽采用插銑方式走刀，進給量0.1 mm/r ～0.15mm/r。

結論

經過課題小組的研究，在盤零件上面試驗，成功地加工出了盤的型面；在五坐標設備上試驗加工葉片型面時，產品質量基本滿足要求。

參考文獻

[1]姜雪梅.盤軸制造技術[M].北京：科學出版社，2002.

[2]謝國明.UGCAM實用教程[M].北京：清華大學出版社，2003.