| 标题 | 静子叶片叶身型面数控加工技术研究 |
| 范文 | 雷瑶 王松 摘 要：叶片的制造技术是透平机械制造业中的主要技术之一。叶片的制造水平在一定程度上反映了发动机的制造水平。叶片的加工工艺水平可用叶片型面的加工水平来衡量。本文介绍了叶片叶身型面数控加工的要点进行分析，为今后叶身型面数控加工技术在压气机叶片加工中的推广应用、改进发展，打下一个良好的基础。 关键词：叶片；数控加工；切削刀具 中图分类号：TK416 文献标志码：A 0 引言 航空发动机叶片是航空发动机的核心零件，对航空发动机性能，寿命影响很大。其结构复杂、技术含量高、尺寸精度要求严格。叶片类零件的叶身加工的传统加工方法众多，如大余量手工抛光、靠模车、砂带磨、电解和靠模铣等，但是这些加工方法共同的缺点是最终余量大，还必须靠手工的精抛光达到工艺图纸的要求，而这会带来型面烧伤、变形、波纹度大、一致性差以及加工效率低下等问题。随着技术的发展， 精密锻造、数控电解、数控铣等加工方法成为叶片类零件小余量或无余量加工的重要手段。随着数控技术的发展和企业技改的资金投入，国内众多叶片加工企业拥有了国际上先进的数控机床，使利用数控机床精加工叶片成为可能，目前国内叶片类零件已广泛采取数控加工的方法加工。但由于数控加工技术在国内应用的时间较短，叶片的数控加工还存在许多关键技术没能很好解决，使叶片的无余量数控加工存在着较大的困难。通过本课题的研究，利用现有叶片加工的成功经验，通过优化加工工艺、设计新型夹具、调整切削参数、优化数控加工程序等方面研究和试验，形成一套叶片精密数控加工的成熟工艺规范，进而改变目前叶片数控加工余量大的状况，提高叶片加工的质量和效率，满足新型发动机叶片的制造技术需要。 1 静子叶片型面数控加工 某静子叶片为钛合金材料的双轴颈型叶片，形状如图1所示。型面数控加工的设备采用的是五坐标高速立铣。该设备尾座处配备有与A轴同步转动的U轴，在叶片的数控加工中起到很好的作用。最高转速15000r/min，用来加工最长到700mm的飞机发动机叶片以及汽轮机和压气机叶片。为了达到设计图中对型面和边缘要求的轮廓度和尺寸要求，数控加工应有：粗加工、半精加工和精加工。 2.1 型面粗加工 粗加工是叶片精加工前的准备工作，去除叶片毛料型面留下的较多的余量和修整叶片型面的形状。一般情况下粗加工留余量为0.3 mm。 2.2 型面半精加工 半精加工是精加工的准备工作。半精加工目的是为了进一步休整型面、排除波纹、减少型面余量。半精加工型面留余量0.1 mm。 2.3 型面精加工 精加工是在半精加工的基础上去除型面余量，使其达到规定的图纸技术要求和尺寸精度的要求。 叶片型面的数控加工为机械去除形式。加工过程中叶片受力会产生变形，影响加工结果，造成叶片型面不符合图纸技术要求和尺寸精度的要求。 3 影响加工结果的讨论与分析 3.1 影响叶片型面变形的原因分析 根据试验加工情况，结合叶片数控加工的特点，叶身型面数控加工时发生变形的主要原因有： （1）叶片毛料为模锻件，叶片内部内应力较大。型面加工后内应力得以释放，此叶片叶身型面弯曲度较大，释放的内应力会使叶身型面造成较大的变形。通过在加工中摸索型面变形的规律相应的调整加工程序，解决型面变形问题。 （2）加工过程中刀具切削会产生径向切削力。在切深较大时，径向切削力也会加大。叶片进排气边缘很薄，大的径向切削力会使叶片叶身进排气边缘变形。在切深较小时，钛合金材料让刀现象严重，也会使叶身型面产生变形。因此，需要选择合理的切深，既避免大的径向切削力使叶片叶身进排气边缘变形，也避免让刀现象使叶身型面产生变形。 3.2 影响叶身型面加工精度的原因分析 经攻关发现影响叶身型面加工精度的原因主要是：夹具旋转中心与机床旋转中心不一致，这是造成叶身型面加工不合格的主要原因。造成中心不一致的原因有多方面，一是数控铣夹具制造误差，导致夹具中心与机床中心可能有偏移；二是数控铣夹具和机床装配造成误差。 4 避免变形的数控加工方法选择及加工试验 4.1 夹具的选择 在传统的加工方法中使用两端顶尖定位夹紧进行加工，由于叶片材料和形状的原因，在去除大部分余量后叶片刚性下降，叶片出现弯曲，致使叶片加工后余量不一致。因此，在设计夹具时，需要解决这个问题。我们改变了叶片的定位夹紧方法，将两顶尖定位夹紧改为用两端轴颈定位夹紧。这种定位方法可以有效地提高叶片加工强度，减少叶片加工变形，达到叶片精密加工的要求。 4.2 刀具的选择 在进行数控铣加工时，必须根据切削叶片的部位、粗精加工和切削材料合理地选择刀具和切削参数，以提高加工质量、刀具的使用寿命、切削效率，同时减小叶片变形。 铣加工型面时，采用Ф20R1硬质合金端铣刀。此刀适用于高速铣精加工，专门用于加工钛合金材料的铣刀。理论上，球头刀和端铣刀均可用于曲面的精加工，之所以选择带R角的端铣刀，是因为它在表面加工质量和切削效率方面均优于球头刀。因此，只要在保证不过切的前提下，无论是曲面的粗加工，还是精加工，都优先选择端铣刀。 铣加工安装板时，先采用Ф16R8硬质合金成形刀加工去除粗加工所留余量，再采用Ф8R4硬质合金成形刀以便加工出叶身与缘板转接处R，即用于清根。在表面质量不变的情况下，使用較大半径的球头硬质合金成形刀加工可以缩短加工时间，提高刀具耐用度。 4.3 切削加工用量选择 高速切削加工用量的确定主要考虑加工效率，加工表面质量，刀具磨损以及加工成本。一般原则是中等的每齿进给量fz，较小的轴向切深ap，适当大的径向切深ae，高的切削速度。根据实际选用的刀具和加工对象，参考刀具厂商提供的加工用量选择，参考高速铣削理论计算公式，最终确定了叶身型面加工使用的切削参数。以Ф20R1端铣刀精加工叶身为例：刀具直径Ф=20 mm；齿数nz=4；切削步距ae= 3 mm；切削深度ap=0.3 mm；每齿进给量fz=0.09 mm；钛合金切削速度vc=100m/min；主轴转数S=1600r/min；进给率f=650mm/min。 结论 结果表明，此次试验使用的夹具结构、粗精加工工艺、数控加工程序和切削参数是合理的，实现了静子叶片叶身数控无余量加工，可做到叶片型面不变形、叶身型面及上、下安装板内侧面尺寸精度满足设计要求。为进一步提高叶片叶身型面数控加工技术，充分发挥数控铣床的优越性、稳定性和高精度，必须在充分吸取此次试验经验的基础上，对现有的数控铣夹具和程序进一步完善，以提高零件的制造精度和质量。 参考文献 [1]《透平机械现代制造技术丛书》编委会.叶片制造技术[M].北京：科学出版社，2002. [2]郭文有.航空发动机叶片机械加工工艺[M].北京：国防工业出版社，1994. [3]刘大响.对加快发展我国航空动力的思考[M].航空动力学报，2001，16（1）：1-6. |
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