航天發動機葉片銑削工藝優化探究

須 麒 徐留明

（鐘山職業技術學院,南京 210049）

航天發動機葉片長期處于高壓高溫工作狀態，因此葉片質量和加工精度會對航天發動機使用壽命和安全性產生直接影響。在制作航天發動機葉片的過程中，需要對制造材料和加工工藝進行深入研究，以此達到提升葉片質量的目的。航天發動機葉片加工十分復雜，傳統加工工藝很難確保加工精度和產品良率。隨著信息化技術的發展，數控加工機床在航空工業中得到了廣泛應用。特別是多軸聯動型數控機床，憑借著高靈敏性和高精度優勢，在航天發動機葉片銑削工藝中扮演著關鍵角色。設計人員以多軸聯動數控機床為基礎，依據葉片銑削加工難點，對葉片銑削工藝參數進行優化。

1 航天發動機葉片制備工藝優化

1.1 加工難點

航天發動機工作環境惡劣且長時間處于高強度工作狀態，為了確保葉片零件具有很好的穩定性和安全性，通常會使用鈦合金或高溫合金等金屬性能優異的材料。在制作工藝方面，它以鑄造和銑削為主。該零件的技術參數要求極為嚴苛，因此葉片制備工藝難度大。第一，葉片內部結構復雜，葉身上通常帶有扭轉角度，同時為了提升葉片強度，通常會在分型面上增設加強筋[1]。第二，葉片屬于薄壁零件，加工過程中如果銑削力度控制不好，可能會造成葉片變形或破損。第三，葉片的排氣邊和進氣邊余量很小，在銑削過程中容易出現過切問題。第四，該零件加工精度要求嚴格，葉片輪廓的余量需要控制在±0.05 mm 內，且需要保證葉片表面光滑、無刀痕。

1.2 加工參數調整流程

明確航天發動機葉片加工難點后，需要明確銑削加工參數調整流程。結合航天發動機葉片的實際需求，決定采用“測量+數控”的方式優化葉片銑削工藝。第一，設計人員依據航天發動機葉片設計理論，利用UG 系統中的CAM 模塊，模擬葉片銑削刀具的行進軌跡，利用多軸加工處理器導出刀具實際的NC 程序。第二，利用VERICTU 仿真程序，在虛擬環境中搭建多軸聯動數控機床，并在該環境中創建工件夾具和葉片毛坯，在虛擬環境中執行葉片切削加工動作，檢查銑削加工程序的正確性，并對其進行碰撞檢測。第三，準備環節。核對數控機床的坐標系，校正家具的位置和銑削加工刀具實際位置，提升數控機床加工精度，建立葉片銑削加工坐標系。第四，正式開始模擬銑削加工時，設計人員需要先針對葉片毛坯建立坐標系，并對榫頭進行粗加工與精加工。第五，精加工葉片毛坯后，檢查其表面。以榫頭為基準匹配模型設計坐標系和零件，再通過海克斯康坐標測量裝置，對比新加工前后葉片加工精度，進而得出多工況情況下航天發動機葉片型面余量數據。

在此基礎上優化調整葉片銑削加工工藝參數，利用神經網絡預測模型，在銑削工藝參數與發動機葉片型面加工精度之間構建映射關系，在模擬系統中調整工藝參數，觀察其對于葉片加工精度的影響。首先，收集實驗數據，為模型訓練提供數據基礎，并利用數學方法提升數據可靠性。其次，利用Pycharm 軟件構建預測模型，將實驗數據輸入該預測模型，為模型的運行計算提供基礎數據。最后，根據Pycharm 軟件計算得出的銑削工藝參數調整量，對葉片毛坯進行加工實驗，利用海克斯康坐標測量裝置對比各種工況下的切削工藝參數調整結果，選擇其中最穩定的參數組合，并對其進行驗證。

2 航天發動機葉片銑削加工方式優化

2.1 刀具選擇

航天發動機內部的葉片零件為曲面結構，在實際切削過程中很容易出現過切、刀具干涉等問題。前者主要發生在葉片曲面的凸面一側。在設定好的刀具行進軌跡中，由于兩個刀具與葉片凸面接觸點距離過大，導致兩點之間的部位出現過切。后者主要出現在葉片凹面，原因在于刀具行進曲率大于葉片局部曲率，導致葉片在切削過程中切掉過量材料。因此，需根據實際加工要求，靈活選擇刀具類型[2]。

（1）立銑刀。立銑刀主要通過底刃與側刃進行切削。刀具行進過程中處于快速旋轉狀態，通過與待加工零件的接觸去除零件多余部位。立銑刀的底刃通常被用作平面銑削，側刃被用作零件的側壁銑削。該類型刀具主要用于大量材料的粗加工，缺陷在于無法對零件的圓角和曲面進行精加工。

（2）球頭銑刀。球頭銑刀的優勢在于對代加工零件的干涉較小，具有高加工精度。但是，這種刀具是在球面上進行切削，因此不適用于對大量材料進行切除工作。

（3）環形銑刀。環形銑刀造型十分獨特，類似于立銑刀與球頭銑刀的綜合。這種刀具適用范圍較廣，多被用來進行大型平面銑削和大型曲面銑削，但不適合對小型零件進行精加工。

以上3 種銑刀是常用的航天發動機葉片銑削刀具。在本次實驗中，工作人員根據葉片毛料特點和銑削工藝要求，決定采用“立銑刀+球頭銑刀”組合，即先使用立銑刀對葉片的榫頭位置進行粗加工，之后利用立銑刀去除葉片型面多余材料，再更換球頭銑刀精加工葉片的細節，進而完成銑削作業。

2.2 刀具銑削方式優化

想要提升航天發動機葉片銑削加工質量，重點是優化刀具行進路線和刀具與葉片接觸點。優化刀具與葉片接觸點的主要作用是降低葉片表面粗糙度，而對刀具行進路線進行優化的主要作用是避免出現過切問題。本次實驗中，設計人員以這兩方面為基礎優化刀具銑削方式。

2.2.1 刀具與葉片觸點優化

銑削刀具的行進路徑可以看作是若干個刀具與葉片接觸點的集合。因此，設計人員將刀具的運動軌跡定義為C(i,j)，在刀具運動軌跡上取兩個刀具與葉片的接觸點P(i,j)和P(i,j+1)，且保證這兩個點相鄰。將兩個接觸點之間的距離設為L，并將這兩個接觸點之間的弦長誤差設定為ε。接觸點P(i,j)沿著銑削方向的曲率半徑為ρ(i,j)，接觸點P(i,j+1)的曲率半徑為ρ(i,j+1)。實際銑削工作過程中，刀具與葉片接觸點之間的距離較小。因此，本次設計中，工作人員將接觸點曲率半徑視為近似相等，得到ρ(i,j)=ρ(i,j+1)，如圖1 所示[3]。

刀具與葉片相鄰接觸點的銑削加工步長數值L可表示為：

實際進行銑削精加工過程中，刀具與葉片接觸點的取點十分密集，因此可以將刀具與葉片相鄰接觸點之間的步距視為一個凸面弧長，得到該步距在刀具移動軌跡上的積分。

2.2.2 刀具行進路徑優化

兩條相鄰刀具行進路徑之間的切割帶的寬度大小，要經過殘差h和有效切割半徑R的計算得出。本次設計中，工作人員選擇葉片上同一個截面的兩條相鄰的刀具與葉片的接觸點進行分析研究，分別為C(i,j)和C(i,j+1)。將這兩條相鄰刀具行進路徑上刀具與葉片接觸點的切削半徑設定為R(i,j)和R(i,j+1)，將刀具與葉片接觸點的曲率半徑設定為ρ(i,j)和ρ(i,j+1)，同時將相鄰刀具行進路徑上刀具與葉片接觸點之間的有效行距設定為dw。實際進行葉片銑削加工時，刀具與葉片相鄰接觸點之間的距離很小，因此可以將曲率半徑視為相等。在使用球頭銑刀對葉片的某一個截面進行精加工的過程中，刀具行進路徑上刀具與葉片的接觸點的切削半徑也基本相同，如圖2 所示。

根據相鄰刀具行進路徑行距關系，工作人員得出葉片毛坯切削殘留高度與切削高度之間的關系為：

使用三角形的余弦定理計算葉片的曲率半徑和有效切削半徑：

根據式（4）可以得到葉片的切削加工殘留高度、曲率半徑以及有效切削半徑數據。實際切削時，葉片殘留較少，因此在計算過程中為了使計算變得更加簡便，可以忽略殘差h，得到：

因此，可以通過調整銑削參數提升加工精度，并為刀具行進參數的優化提供數據基礎。

2.3 構建刀具模型及設定刀具行進路徑

航天發動機葉片零件具有一定的特殊性，因此從設計到制作再到組裝的整個過程要嚴格保密。本次實驗的研究對象是某型號航天發動機葉片的局部模型。由于保密要求，葉冠和阻尼臺等部位的結構被隱藏，僅針對葉身進行設計。設計人員結合葉片加工需求和現場實際情況，對葉片的葉身部位進行建模。

依據曲面理論數據模型，設計人員使用UG 軟件對航天發動機葉片的曲面進行二次設計，利用UG 軟件完成對葉片局部的建模。第一，使用建模模塊中的草圖功能，基于葉片模型繪制榫頭的平面圖，并使用拉伸功能對榫頭進行三維建模。第二，通過UG 軟件中內建的曲面模塊，實現對發動機葉片葉身部位的建模。第三，以實際的葉片毛坯材料為基礎，在UG 系統中輸入葉片毛坯尺寸參數，并對葉片模型的大小進行等比例調節，得出葉身三維模型圖。

2.3.1 榫頭加工

在葉片銑削加工過程中，葉片加工面的基準定位通常以榫頭的位置為準，因此對榫頭加工精度的控制會對葉片型面的加工精度產生直接影響。本次實驗中，工作人員利用型腔銑削模塊中的粗加工技術切削葉片榫頭。為了確保粗加工的精度符合生產標準，需要使用大直徑的四刃立銑刀切削榫頭，并嚴格控制每齒進給量，確保在不發生刀具干涉和過切問題的基礎上有效切削加工葉片的毛坯葉片。對于經過立銑刀粗加工得到的葉片零件，使用刀具的側刃對其進行精加工，并根據葉片的實際尺寸，選擇合適的刀具快速去除葉片毛坯榫頭部位的多余材料[4]。

確定了榫頭部位的粗加工和精加工工序后，設計人員調整刀具的行進軌跡參數，具體包括刀具切削運動、非切削運動以及切削參數等。借助這種方式對刀具行進的步距、切削深度、刀具主軸轉速以及每齒進給量進行靈活調整，可使刀具行進軌跡和切削動作變得更加精確。

2.3.2 葉身粗加工

對葉身毛坯進行粗加工的主要目的是在短時間內切除大量的葉片毛坯多余材料。這一步驟與榫頭的粗加工目的一致。針對葉身，設計人員利用大直徑立銑刀對其進行粗加工，確保設定的刀具行進與銑削參數與實際工作一致，盡可能減少葉片型面剩余量。

2.3.3 葉身精加工

針對葉身進行的精加工是本次實驗的研究重點，也是優化銑削加工參數的核心意義所在。該環節作為葉片加工整個流程中的最后一個環節，其參數設定的合理性直接影響葉片加工精度和產品質量。本次實驗中使用可變輪廓銑削模塊，銑削的范圍依據葉片毛坯的實際數據進行調節。針對刀具行進路徑的調整，要根據收集數據的類型來確認。例如，銑削加工模式為單向加工，則在調整刀具行進路徑過程中可以使用連續螺旋加工模式。此外，依據刀具與葉片相鄰接觸點之間的步距，合理劃定銑削范圍和刀具的型號。本次實驗中使用小直徑的球形刀具，確保加工后葉片型面的殘留高度要小于1 mm，同時確保葉片表面的光滑程度符合產品質量需求。

3 航天發動機葉片球頭銑刀銑削力建模

3.1 球頭銑刀幾何特點分析

構建球頭銑刀的銑削力模型過程中，設計人員需要對球頭銑刀與葉片毛坯各個接觸點的受力狀態進行深入分析，并以球頭銑刀的球心圓點為基礎建立坐標系，如圖3 所示。

依據葉片銑削實際需求，實驗中采用的球頭銑刀為兩刃刀具。將刀具的半徑設為R，螺旋角度為i0，確保球頭刀具的切削刃位于刀體的表面。

依據刀具的實際參數，設計人員將球頭銑刀與葉片接觸點設為P。以點P為基準，沿著球頭銑刀坐標系中z軸負方向，將點P與球頭銑刀底端之間的距離設為z0。將P點水平投影到z軸的距離設定為切削半徑R0，沿著z軸負方向的球頭刀具仰角為κ和球頭銑刀坐標系中各個變量之間的關系，可以得出切削半徑計算公式：

球頭刀具仰角κ的三角關系為：

在式（6）和式（7）中，0 ≤z0≤R代表球頭銑刀與葉片毛坯的接觸點需要保持在球頭上，而z0≥R則表示需要用球頭銑刀的側刃進行銑削工作[5]。依據球頭銑刀的特點，刀刃與刀具表面之間存在一個螺旋角度。啟動刀具后，球頭刀具與葉片毛坯之間的接觸可以視為一種斜角切削。設計人員將刀刃傾角設定為λs，則可以得到：

3.2 銑削力建模

利用球頭銑刀進行材料切削工作時，與葉片毛坯材料相接觸的部分為側刃與球頭，其中球頭是主要使用的刀具。設計人員根據球頭銑刀的坐標系，以球頭刀具的頂端為基點，將切削部分的切入深度設定為αp，沿著切入方向的切削向量為U=(ux,uy,uz)，將葉片毛坯每齒進給量設定為f=(fx,fy,fz)，保證進給方向與球頭刀具的切削方向相同，可以得出計算切削力的公式：

根據式（9）即可計算得出球頭刀具切削力。

4 結語

航天發動機工作環境惡劣，為了確保航天發動機能夠穩定、安全工作，需要優化與完善發動機葉片銑削工藝，利用多軸數控機床，靈活調整刀具的類型、行進路徑以及銑削參數等信息，確保葉片表面光滑、完整，符合使用要求，從而為航天事業的發展提供技術支持。