叶片型面精密切削加工技术策略.docx

叶片型面精密切削加工技术策略 中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司 （辽宁 110043） 刘随建李美荣韩魏陈亚莉摘要：阐述航空发动机压气机叶片发展特点与采用数控精密切削加工的原因，介绍叶片型面精密切削加工采用的技术策略，分析各 项技术的作用原理，总结通过各项技术应用获得的经验与理论认识，诠释了对技术合理应用的理由，为今后该方面技术的发展提供 了经验借鉴。随着现代航空发动机对气动 性能、安全性能要求的不断提高， 其压气机叶片所具有的各方面特点 也越来越鲜明。在材料方面普遍性 地使用钛合金、高温合金一类难加 工材料，在结构方面的改变上，大 多数采用型面纵向曲率变化较大的 端弯与大扭角方式，型面加工要求 测量的特征截面数量较多，各截面 轮廓精度与位置精度要求越来越严 格，型面的薄壁性质越来越突出。 由于叶片型面结构上的变化，使得 传统的以切削加工留余量，然后靠 手工打磨抛光成型的叶片型面加工方式，已经基本不能满足叶片型面 加工几何精度要求。为了使叶片型面加工在轮廓与 位置精度方面达到稳定的高质量状 态，数字化的精密切削加工技术与 小间隙控制的电化学加工技术是非 常好的选择，两项技术应用的出发 点是，型面几何精度直接由技术方 法功能保证。型面表面质量提高的 操作，基本不影响叶片型面最终的 几何精度要求。而数字化的精密切 削加工技术由于其所具有的柔性化 特点而成为新机研制与多品种小批 量加工制造时首选的方式。但是要想利用该种加工方式来达到叶片型 面精密高质量加工状态，就必须对 叶片在结构与材料方面所反映的工 艺难点具有深刻认识，并且在多方 面工艺措施的采取上给予全面综合 性考虑，如此才能使数字化的精密 切削加工技术在叶片生产中得以更 好地运用。1. 叶片结构与材料特点对型 面切削加工精度影响分析叶片型面的切削加工，由于受 到零件结构上薄壁弱刚性性质与材 料切削加工性差所形成的刀具不断 磨损现象影响，导致产生因切削力 与残余应力在加工过程中不断变化 的变形问题，从而使具有复杂空间 曲面性质的型面轮廓几何精度不易 保证，而叶片批量性的加工性质， 又使得其加工要考虑整个制造过程 各因素的影响和稳定加工状态的实 现，因此，对于其加工影响因素应 多方面给予考虑和分析。（ 1 ）叶片型面具有的薄壁性 质使得其易出现因定位压紧措施不 当、切削力过大而产生变形，并且 型面曲面性质需要的机床回转联动 加工方式，也使弱刚性的型面在进 行扭矩力传递过程中面临变形影 响。（ 2 ）叶片使用的钛合金、高 温合金等材料，均具有难切削的性 质，其使刀具具有在加工过程中因 不断磨损而形成切削性能不断降低 的趋势，这种趋势与刀具对曲面加 工时造成的刀具切削角度不断变化 相互影响，使得切削力呈现复杂变 化，从而使型面因薄壁性质而形成 的变形具有复杂性。（ 3 ）叶片批量性进行的毛坯 锻造、热处理等过程，使个体叶片 具有一定程度的切削力和残余应力 性能不同，其对于刚性较弱与几何 精度要求比较严格的叶片加工具有 很大影响，对工艺控制因素可靠性 具有较高要求。以上 3 方面内容是影响型面切 削加工时精度保证的主要因素，型 面精度能够达到的程度基本取决于 对以上因素具有的认识与控制程 度。2. 叶片型面精密铣削加工装 夹技术与设备功能选择对于叶片型面精密铣削加工 的定位基准与压紧方式选择，目前 基本取得的共识是，避免采用叶片 型面尾端部位的顶尖孔定位和沿轴 向顶紧的方式（见图1），防止叶 片有可能在弯曲情况下进行加工。 该部位合理的定位基准，一般是选 择平行于轴向方向互相垂直的两个 平面，并沿垂直这两个平面的方向 分别进行压紧。该种定位压紧方式 使设备功能获得的发展是，设备上 用于安装叶片前后端定位夹头的两 个轴均具有主动回转功能，叶片加 工前的找正工作，要先使设备单个 轴通过独立回转而使前后端夹具位 置达到准确，叶片加工时，设备的 这两个轴要能够实现同步回转或同步摆动的功能（见图2），从而使 叶片型面加工过程中，避免了由于 前端定位部位主动回转，再通过薄 弱的叶型带动尾端定位部位进行随 动，造成型面部位因传递扭转力而 产生附加应力，进而造成叶片型面 产生应力变形的问题，因此，目前 叶片型面精密铣削加工设备，基本 都要求其带动叶片回转的两个轴为 同种性质的动力轴，且具有同步回 转功能。在设备不具有该种功能的 情况下，对于刚性不是很薄弱的叶 片型面精密加工，也可以通过使叶 片尾端夹具设置轴承机构的方法来 实现非轴向压紧方式，达到避免叶 片加工装夹变形和型面传递扭转力 过大现象产生的目的。3. 叶片型面精密铣削加工切 削力变形影响控制技术图1叶片定位压紧示意图图2 设备双驱动功能示意图叶片型面的弱刚性特点使得其 加工中产生切削力影响的让刀现象 非常突出，尤其是型面长厚比较大 的叶片影响更为严重。在型面的整 个加工过程中，由于材料切削加工 性差的原因，刀具磨损的状况是随 着加工的不断深入而不断加剧的， 型面各处厚度的不同和距离装夹部 位远近的不同，也使得型面各处刚 性具有差异，这两种因素的交互作 用，使得切削力产生的变形影响在 型面各个部位有所不同，而且由于叶片具有的批量性质，每批叶片毛 坯材料在热处理后的切削性能也会 有差异，即使是同一批叶片，由于 热处理零件多少的不同与热处理炉 温均匀性的影响，也使其切削性能 具有差异，从而使每片叶片在切削 力影响方面也呈现不同的现象，其 对刚性不好叶片的影响有时是非常 大的。实际加工中为了降低该方面 的影响所采用的技术策略主要有以 下几项。（ 1 ）型面粗精铣削的分阶段 工序安排：在加工切削用量方面， 切削深度对于切削力影响的贡献值 是最大的，为此，为了降低切削力 产生的变形影响，对于型面精密切 削加工工艺而言，在叶片毛坯型面 表面具有较大余量的情况下，基本 都采用型面粗精铣削分阶段的工序 安排，并且有的叶片型面精铣工序 还常常安排半精铣的加工工步，或 对型面局部厚度较小、刚性较弱的 部位（进排气边圆弧部位）采用局 部区域的半精铣方式。另外，为了 使叶片毛坯材料与粗加工表面形成 的残余应力得到很好的消除，避免 其对精加工基准部位加工精度产生 影响，在型面粗加工工序进行后， 还要进行消除应力热处理工序安 排，使型面精加工精度保证影响因 素得到进一步降低。2014年 第24期（ 2 ）型面铣削加工变形的数 控程序补偿措施：叶片型面数控铣 削加工过程中，切削力所造成的弹 性变形是影响轮廓精度保证的突出 问题，此外，刀具在切削过程中产 生的磨损也影响轮廓精度的保证。 从叶片型面结构上分析，叶片型面 远离装夹部位的中部区域是刚性较 弱的部位，其受切削力变形影响也 最大，按照叶片型面正常的理论模 型进行编程加工，中部型面部位常 常出现厚度尺寸较大的现象，其增 厚的趋势随型面长厚比增大而上 升，也随着刀具磨损的切削力增大 而越来越严重。对于该种现象进行 控制的一种方式是，通过对一些叶 片型面加工变形量的统计，计算平 均变形数据，然后通过数控编程对 变形较大部位的切削深度进行相应 数据预置的方法进行补偿，从而达 到对变形影响的控制。该种方式对 于实际的加工操作而言比较简便， 但对刀具锋利程度要求较高，并且 对于叶片这种批量生产的产品而 言，对于其热处理所赋予每片叶片 的强度与硬度性能差异性也比较敏 感，尤其是在型面几何精度要求比 较严格的情况下，其批量生产想要 达到较高的合格率水平将比较困 难。为了保证型面较高的合格率水 平，有时需要增加型面铣削次数， 有时对刀具切削潜力也要作出一定 的牺牲。（ 3 ）型面铣削加工的刚性增 强措施：为了更好地降低切削力所 造成的弹性变形影响，从叶片型面 结构上进行分析，采取对型面刚性 薄弱部位进行增强是比较合理的措 施，所采用的方式一般是通过夹 具的辅助支撑结构来实现（见图 3）。鉴于叶片型面的自由曲面性质，夹具辅助支撑有效与简便的作 法是对型面中部或其他刚性薄弱部 位使用活动曲线样板或活动支点的 方式，其使用方法是，在叶片装夹 定位后，利用曲线样板或支点对叶 片底部型面进行自然帖合，然后锁 紧曲线样板或支点，当刀具对顶部 型面进行加工时，切削力所造成的 弹性变形现象基本得到消除。该种 方式大大降低了刀具磨损引起的切 削力变化对型面变形的影响，同时 很好地消除了批量生产叶片过程 中，各个个体叶片在强度与硬度上 存在差异时切削力变化对型面变形 的影响，刀具的切削潜能发挥得比 较充分。叶片型面加工程序编制简 单，加工过程调试的复杂性大大降 低，切削用量采用范围也比较宽 泛，加工效率提升与成本控制具有 更好的效果。4. 型面铣削加工的路径安排图3 叶片型面加工辅助支撑示意图图4 叶片宽行铣削加工示意图由于压气机叶片材料基本采用 钛合金和高温合金材料，加工硬化 倾向严重，刀具易磨损而形成的弹 塑性倾向也比较严重，加上材料锻 造与热处理形成的残余应力影响， 使得薄壁结构的叶片型面加工精度 不同程度地受到应力变形的影响， 而叶片型面加工时的两端安装定位 方式，使叶片从结构上具有了中部 刚性较弱的特点。为了使毛料阶段 材料自身存在的残余应力释放与切 削加工应力施加产生的变形影响程度得到控制，从而更好地使叶片偏 移与扭转位置精度得到保证，对于 纵向铣削的型面加工方式，采用对 称铣削方法能够获得更好的加工效 果，其加工路径安排是从进、排气 方向交替进刀向型面中部进行铣 削，最终接刀停止于叶片中部；对 于螺旋铣削方式，采用中部型面先 进行铣削，然后再铣削叶根型面的 走刀轨迹方式，使得叶片中部型面 铣削既具有更好的刚性，也使应力 变形对精度保证的影响更小。5. 型面铣削刀具结构选择与 加工方式采用由于叶片材料与结构性能所具 有的特点，叶片型面加工变形影响 的程度与刀具切削能力的保持具有 很大的关联性。从目前切削加工的 试验效果看，端面铣刀比球型铣刀 具有更好的切削能力保持性，突出 的反映是，端面铣刀在保持轮廓精 度不受到影响情况下所切削的面积 较大，其大约比球型铣刀大 1/3 1/2。在选择端面铣刀进行铣削时， 采用具有宽行加工性质的加工方式（见图4），具有更高的效率和表 面质量水平。球型铣刀切削能力保 持性差的原因在于，加工中参与切 削的刀刃长度上不同部位的切削速 度有较大的变化，很难使其获得共 同合理的切削条件。宽行铣削效率 优势是，铣削宽度大，走刀频次 少；表面质量好的优势是，刀痕轨迹波峰、波谷值较小，非常利于后 续抛光加工时对刀痕轨迹的去除加 工。对于型面铣削刀具结构尺寸而 言，如果情况允许，采用短长度、 大直径刀具对于刀具刚性是非常有 利的，可以更好地避免刀具刚性不 足对型面加工几何精度造成的不必 要影响，尤其是在铣削高温合金等 难切削材料叶片时，如果希望刀具 能有更长的切削时间，则必须考虑 刀具刚性不要受到切削刃不断磨损 而使切削力增大的影响。如果铣削 时需要使用小直径、长刀杆刀具， 则应该考虑采用大直径锥型刀杆或 大直径刀杆变化为小直径切削刃形 式。6. 进排气边圆弧部位铣削 策略在叶片型面进排气边圆弧部位 铣削加工中，由于圆弧直径较小、 曲率较大的原因，当采用螺旋铣削 加工方式时，如果进给速度过快，的角度考虑，其加工往往不希望采 用辅助支撑的半圆弧加工方式，为 此，所采用的方式主要是，将进排 气边圆弧部位铣削刀具单独设置， 以保持其具有较好的锋利性，适当 加快切削速度与走刀速度，降低加 工切削力，如有必要增加一次铣削 工步，减少铣削深度。在采用以上 处理方式时，应考虑将进排气边圆 弧部位铣削区域在盆背表面上有适 当延长，使加工接刀适当远离于进 排气边圆弧部位，从而使后续的抛 光加工对接刀部位的处理不至于影 响进排气边圆弧形状精度。7. 经验总结通过对钛合金、高温合金等难 加工材料型面精密铣削加工实践及 一些理论分析所获得的认识，可以 总结形成以下有利于型面加工精度 保证、效率提高与成本控制方面的 结论性意见：（ 1 ）结合于双主轴同步回转 功能设备而对叶片定位部位采取不控制应力变形影响，刀具路径规划 可以减少切削力产生的变形影响。（ 6 ）纵向铣削方式对于进排 气边圆弧形状完整性保证更为有 利，但应注意增厚现象；螺旋铣削 方式加工进排气边圆弧时，应该注 意切削速度、进给速度的适宜性控 制，否则容易产生过切现象。参考文献：1 郑文虎. 金属切削加工技术问答m. 北京：机械工业出版社，2013.2 钱子亮. 贾艳丽.高温合金材料冷 加工技术j. 航空制造技术， 2004（3）：38.3 何宁. 航空结构件加工变形及其 控制j. 航空制造技术，2009（6）：34.4 陈德兰. 控制薄壁零件变形的工艺 措施j.装备制造技术，2010（6）：119-120.（收稿日期：20141022）机床数控系统对于数控程序的响应 速度，会因铣削方向的急剧变化而 出现滞后现象，其对加工质量的影 响反映是，进排气边圆弧轮廓呈现 尖边趋势的不饱满现象，将其与纵 向铣削方式形成的轮廓形状进行比 较可以很直观地看出差别。为了避 免该现象的产生，对于数控编程与 切削用量方面要结合进行考虑，要 适当降低进排气边圆弧部位的切削 速度，其程度应结合实际加工的检 测结果来决定。采用纵向铣削方式 对进排气边圆弧部位加工时，铣削 刀具是持续性地在叶型刚性最为薄 弱的部位进行切削，因此其非常容 易出现“让刀”问题所导致的加厚 现象，从进排气边圆弧部位需要连 续加工以避免在圆弧表面产生接刀使型面传递压紧力的装夹定位方 专家点评文章集中了当前先进 加工 术，对于叶片型面的加工 难度给予全面的综合性分析， 加工策略中采取了多项工艺措 施，使数字化精密切削和小间