透平叶片五轴数控加工工艺技术探讨

戴红毅

广西机电技师学院广西柳州545005

摘要：目前，五坐标数控加工技术已经在国际广泛应用于了叶身型面的加工上，它可以高效率的、高精度的去除叶片型面材料，既保证产品质量，又提高了加工效率。

关键词：透平叶片；五轴数控；加工工艺；

1五轴数控加工简介

复杂曲面零件作为数字化制造的主要研究对象之一，在航空、航天、能源和国防等领域中有着广泛的应用，其制造水平代表着一个国家制造业的核心竞争力。复杂曲面零件往往具有形状和结构复杂、质量要求高等难点，是五轴数控加工的典型研究对象。当前，复杂曲面零件主要包括轮盘类零件、航空结构件以及火箭贮箱壁板等，轮盘类零件是发动机完成对气体的压缩和膨胀的关键部件，主要包括整体叶盘类零件和叶片类零件。整体叶盘类零件的叶展长、叶片薄且扭曲度大，叶片间的通道深且窄，开敞性差，零件材料多为钛合金、高温合金等难加工材料，因此零件加工制造困难。叶片是一种特殊的零件，数量多、形状复杂、要求高、加工难度大且故障多发，一直以来都是各发动机厂生产的关键。航空整体结构件由整块大型毛坯直接加工而成，在刚度、抗疲劳强度以及各种失稳临界值等方面均比铆接结构胜出一筹，但由于其具有尺寸大、材料去除率大、结构复杂、刚性差等缺点，因此加工后会产生弯扭组合等加工变形。随着新一代大型运载火箭设计要求的提高，为保证火箭的可靠性，并减轻结构质量，提高有效载荷，对火箭贮箱壁板网格壁厚精度和根部圆弧过渡尺寸都提出了更严格的要求。五轴数控铣削加工具有高可达性、高效率和高精度等优势，是加工大型与异型复杂零件的重要手段。五轴数控机床在3个平动轴的基础上增加了2个转动轴，不但可以使刀具相对于工件的位置任意可控，而且刀具轴线相对于工件的方向也在一定的范围内任意可控。五轴数控加工的主要优势包括：①提高刀具可达性。通过改变刀具方向可以提高刀具可达性，实现叶轮、叶片和螺旋桨等复杂曲面零件的数控加工。②缩短刀具悬伸长度。通过选择合理刀具方向可以在避开干涉的同时使用更短的刀具，提高铣削系统的刚度，改善数控加工中的动态特性，提高加工效率和加工质量。③可用高效加工刀具。通过调整刀轴方向能够更好地匹配刀具与工件曲面，增加有效切宽，实现零件的高效加工。④控制刀具参与切削的区域。通过调整刀具方向，使球头铣刀用合理的刀刃区域参与切削，减小切削力和刀具磨损，提高加工表面质量。

2五轴数控加工工艺应用必要性分析

虽然三轴数控技术逐渐得到改善，近些年，该技术生产出的产品质量较好，由此可以看出，此项技术逐渐发展成熟。但是其不仅在生产周期方面存在劣势，而且在生产效率方面同样存在劣势，无法满足当前社会需求。针对这种情况，我国投入大量资金，在一定程度上改进该项技术，形成五轴数控技术。该技术由两部分构成，其中一部分为线性轴，对应的数量为3个，另外一部分为旋转轴，对应的数量为2个，其仿真处理采用的系统为CAM，利用该系统可以计算多项参数，例如，刀轴矢量与位点等，除此之外，还具有生产周期短、效率高等特点。因此，本次研究选取该项技术作为主要工艺，研究意义较大。

3透平叶片五轴数控加工方案设计

3.1叶片毛坯设计

叶片毛坯在最初设计时的过程应当参考从型值点-型线-叶身曲面的顺序开展。在这一过程中，所遇曲面皆由内弧曲线、背弧曲线、出气边圆弧曲线和进气边圆弧曲线所构成。在设计的过程中需要注意以下几点：1）为了保证透平叶片弧长达到标准，在进行无轴数控加工的过程中需要对其每个界面的曲线做区分设计，之后再采用曲线组功能通过模块生成三维造型叶身，在这一过程中，叶片根部利用数控加工的旋转和拉伸操作来设计完成；2）在开始加工叶片毛坯时，加工人员还需要对其做一番测量以保证其加工精准度，在这一过程中，重点需要测量毛坯型面余量均匀与否。标准值为8毫米至14毫米之间，测量的过程中应使用先进的光电技术测量仪来开展工作，这样能够进一步提高测量精度，防止误差出现；3）测量工作完成之后，加工人员需要利用专业的透平叶片建模软件将之前测量好的数据输入其中来建立针对该叶片的加工模型，该模型可以被用来作为毛坯加工实际参照物，并能使之后叶片的定位工作提供参考依据，从而使建模而成的叶片达到设计要求。

3.2叶身开粗加工

此次试验的叶片叶身毛坯为方钢，粗加工采用指定矢量三轴定轴型腔铣cavity-MILL和等高轮廓铣Z-LEVE的加工方法。利用型腔铣进行分层加工时，所有分层和每层的加工余量应该根据加工余量均匀的原则进行合理分配。利用等高轮廓铣进行加工时，需要做合理的辅助轮廓曲线。由于粗加工余量较大，考虑加工效率的问题，在开粗加工时使用平底铣刀。

3.3叶片定位设计

透平叶片基本都是被用在对操作性要求较高的水轮机、涡轮机等操作机械之中，这决定了其叶片在定位设计上必须要符合标准。否则其将无法保证运行时的达到标准精度，这有可能会影响到其在运转运行会中的实际效果，最终导致机械发生损坏。因此，在利用五轴数控机床加工透平叶片的过程中，不但需要对其基准度进行设定，还应当利用其在技工过程中的叶片分布情况为其进行基准进行叶片定位，主要工作方式如下：1）目前在透平叶片加工行业中主要应用到的叶片定位技术为夹具定位，这种定位方式能够依照叶片的不同形式来对其进行确定。在这一过程中，夹具定位的具体运用方式将依照叶片的具体形状特点而出现一些变化，这将确保其定位功能被准确的发挥出来，而叶片也能在这一过程中被定位设计出来；2）在对透平叶片的定位设计过程中，设计人员还可以利用目前行业内先进的计算机建模技术来架构出叶片的定位模型。此种建模方式可以保证在设计人员输入叶片参数之后相关的模拟夹具就能够将数据所形成的不同参数下的叶片形状模拟出来，这体现在夹具的通用特性，其可以保证复杂参数输入之后也能准确的执行建模设计操作，使各种复杂的、类型多样化的叶片定位参数都能被其准确的设计出来，采用数控机床对叶片加工时的准确度也将得到有力保证。

3.4检查计算

此项操作主要用于检查景区域划分方案是否满足要求。根据上述工艺方案制定的内容，通过计算，检查工具几何形状、工具参数等，在满足机床限定条件的情况下，增加工作效率，此项研究通过选取直径较大的铣刀来实现。关于五轴刀位的计算，设定两个值，即tiltangle和leadangle，在计算刀杆干涉的同时，完成刀具干涉计算。利用vericut展开切削仿真，通过观察仿真结果，即可找出影响因素，此时调整参数，重新检查计算，直至无误为止。最终确定刀位轨迹，根据轨迹信息生成加工代码。

参考文献：

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[3]蔡新平，魏远震，王临佳.五坐标联动加工中心加工机翼型叶片工艺技术研究[J].通用机械，2003（12）.