整体叶盘数控加工技术研究

【摘要】随着我国经济的快速发展，我们在零件的加工方面取得了很大的成就，关于整体叶盘，无需榫头与榫槽就可以把整体叶盘旋转的工作叶片与转子盘毂连接在一起，这种结构形式减少了零件的数量与质量，也避免了榫头的气流损失，大大提高了发动机的性能，所以在航空发动机中整体叶盘的应用越来越广泛。本文主要阐述了有关整体叶盘数控加工技术研究。

【关键词】整体叶盘，数控加工，技术研究

中图分类号：C37 文献标识码：A

一.前言

整体叶盘是高推比航空发动机采用的新结构，分析了国际同类整体叶盘制造技术，包括叶盘通道分析与加工区域划分、最佳刀轴方向的确定与光顺处理、通道的高效粗加工、技术型面的精确加工技术、加工变形处理、叶片与刀具减振技术等，给出了该研究成果在预研型号中的应用，证明所提方法的先进性和有效性。

二.整体叶盘概述

整体叶盘是动力机械的关键部件，广泛应用于船舶机械、石油化工、能源动力以及航空航天等领域，其加工技术是现代制造业中的一个重点课题。传统整体叶盘采用分段式加工，即轮毂和叶片采用不同的毛坯，分别加工成形后，将叶片焊接在轮毂上。这种工艺既费时费力，又难以保证整体叶盘的机械性能。在采用整体式加工方法时，由于叶片是由非可展直纹面和自由曲面构成的，形面复杂。为了提高整体整体叶盘的加工质量和工效，满足产品生产工艺要求，广泛应用五轴数控机床及CAD／CAM技术。利用多轴数控机床进行整体叶盘加工，既可以保证刀具的球头部分准确切削工件，又可以利用其转动轴，使刀具的刀体或刀杆避让开工件其他部分，避免发生干涉或过切。

整体整体叶盘具有结构复杂、数量种类繁多、对发动机性能影响大、设计研制周期长、制造工作量大等特点。加工整体整体叶盘时刀具轨迹规划的约束条件比较多，相邻叶片空间较小，加工时极易产生碰撞干涉，自动生成无干涉刀位轨迹较困难。整体叶盘的五坐标加工设计，国外一般采用整体整体叶盘的五坐标加工专用软件，例如美国NREC公司的MAX-5、MAX-AB整体叶盘加工专用软件，瑞士Starrag数控机床整体整体叶盘加工模块，OPENMIND公司Hypermill的叶片（含叶盘）、整体叶盘（含闭式整体叶盘）等航空航天专用模组，英国DELCAM公司的PowerMILL软件等。目前，我国大多数生产整体叶盘的厂家采用国外大型CAD／CAM软件，如UGNX、CATIA、MasterCAM等。我们采用的是UGSNX7.5软件进行工艺参数设计和自动编程。

三.整体叶盘的制造工艺

整体叶盘的制造工艺可以分为近成形毛坯制造、精确成形加工、表面检测与抛光等阶段，每个加工阶段的工艺特点都各不相同。本文筛选出典型工艺方法与使用条件，再结合整体叶盘不同制造阶段的特点，对工艺集成方案加以调整，以提高加工工艺组合的稳定性与成熟度。

1．近成形毛坯制造该阶段主要制造工艺包括锻造、焊接以及精铸等。考虑整体叶盘的受力性，其强度要求比较高，如果叶盘的尺寸比较大，则可采用整体锻造或者焊接方案。现阶段我国常用的是整体锻造技术，通过整体锻造工艺加工成初始毛坯，再利用其他高效数控粗加工技术加工成近成形毛坯。焊接毛坯具有节省材料成本、适用于双性能盘的制造等优势，但目前焊接应力与变形、组织改变等问题还未解决，因此技术相对不够成熟。

2.精确成形加工该阶段的主要制造工艺包括电解加工与整体数控铣削等。采用电解加工工艺，不会产生机械切削力，且有较小的加工应力，通常一些细节加工会采用这种工艺，不过电蚀层与光整加工等问题还需要进一步研究。数控铣削工艺一般用在整体闭式叶盘或者一些叶片曲面比较复杂的整体叶盘，采用铣刀的五轴运动包络铣削出流道形状。通常在研制或者小批量试制阶段，可以选择五坐标数铣削工艺进行精确成形加工，该工艺响应速度快，所用专业工艺装备少，且工艺相对成熟。完成叶形数控铣削后，为提高表面的完整性，降低表面粗糙度，可以选择振动光饰或者磨粒流等工艺。

四.五坐标数控系统的选型

在选择数控系统时，需要参考以下性能指标：1)分辨率，即位移检测系统可以测量出的最小位移量，反映机床性能的好坏；2)进给速度，反映机床的响应能力、可控轴与联动轴数、系统可控轴的数量；3)通信功能，表示系统和外部的沟通能力、接口以及沟通方式等性能；4)CUP性能，表示系统执行程序性能的好坏，与进给系统的协调性；5)自诊断功能，即系统需要具备自我故障诊断能力。针对五坐标抛光机数控系统而言，选择的具体要求为：五轴五联动，半闭环的控制方式；压力控制，自动恒压闭合回路控制；具备圆弧插补功能；实现与上位机的串行通信；可连动也能够点动；可进行I／O开关量的控制。

五.整体叶盘数控加工的工艺技术

1.通道分析及加工区域划分首先对通道特征加以分析，其目的是为了确定叶盘数控加工过程中刀具的可达性与工艺性。经过通道分析，加工人员可以确定出数控加工刀具的参数，获取加工工艺必备的信息，而且设计部门还可以根据这些信息做出可制造性的评价。主要包括通道最窄宽度与约速状态、叶片的性质，(即确定叶片是直纹面或者自由曲面)、叶片的扭曲度、截面厚度、前后缘大小及变化、过渡圆角半径及变化、加工的可行性等。叶盘通道刀具的可达状态如图1所示，表示叶盘可加工；刀具的不可达状态如图2所示，表示无法对叶盘进行数控加工。

2.整体叶盘加工技术要求包括尺寸、形状、位置、表面粗糙度等几何方面的要求，也包括机械、物理、化学性能的要求。为了提高整体叶盘的强度，毛坯一般采用锻压件。叶盘叶片必须具有良好的表面质量。精度一般集中在叶片表面、流道表面和叶根表面，表面粗糙度值应小于Ra3.2μm，截面间的型面平滑过度，叶片的表面纹理要求一致，从而限制了走刀方向，也就限制了刀具轨迹。

整体叶盘在工作中为了降低噪声，防止振动，要求具有很高的动平衡性能，所以在加工过程中要综合考虑叶盘的对称问题。在进行CAD／CAM编程时，利用叶片，流道等关于旋转轴的对称性，采用对某一表面的加工来完成对相同加工内容不同位置的操作，如本例对流道和叶片采用了旋转阵列加工的操作。此外，要尽可能减小由于装夹或换刀造成的误差。

3.叶盘通道的粗加工

由毛坯到成品，整体叶盘的整个加工过程需要切除90以上的材料，而叶盘通道粗加工阶段需要完成绝大部分材料的切除，由此可见，要缩短制造周期，提高工作效率，叶盘通道的粗加工阶段十分关键。通道粗加工方法包括以下几种：（1)计算自由曲面通道的等高线粗加工轨迹；（2)优化刀轴方向，实现粗加工的最大去除量；（3)以通道临界为基础进行防干涉计算；（4)分析刀具的振动，实现对其有效控制等。

因为在粗加工阶段需要切除大量的材料，所以加工后可能会在叶盘内产生比较大的切削应力，可以采用以下方法加以控制：（1)优化刀具与工艺参数、刀具与工件的切触状态；（2)采用热处理工艺消除切削应力；（3)通过工序分散以及多次修复基准的方法对变形误差进行补偿等。

六.结束语

本文介绍了整体叶盘加工的工艺技术。通过加工，提高了分析问题和解决问题的能力，为与企业的进一步合作奠定了坚实的基础。具有一定的现实意义和实用价值。

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