航空發(fā)動機(jī)葉片高效切削技術(shù)研究

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發(fā)動機(jī)葉片常用材料航空葉片材料發(fā)展的趨勢是高性能化（輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、高韌、耐高溫、抗氧化及耐腐蝕等）、低成本化。葉片材料從鋁合金、不銹鋼、鈦合金到高溫合金及新型復(fù)合材料，是隨著發(fā)動機(jī)性能要求的不斷提高而不斷發(fā)展的。2

航發(fā)葉片加工用機(jī)床工具特點(diǎn)葉片葉身型面質(zhì)量的好壞直接影響葉片的工作性能。傳統(tǒng)的葉片加工方法費(fèi)時費(fèi)力，精度難以保證。在葉片加工中越來越多地采用高性能數(shù)控銑床，其中進(jìn)口機(jī)床占有相當(dāng)大的比例。此類機(jī)床特點(diǎn)如下：（1）多軸聯(lián)動

一般為4軸或5軸聯(lián)動，或在5軸聯(lián)動的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更多軸的控制以及實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工聯(lián)動控制。（2）高速主軸

葉片高效數(shù)控加工對高性能數(shù)控機(jī)床的主軸提出了很高的需求，高速主軸配合使用高性能刀具系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)葉片高效切削加工。（3）高動態(tài)響應(yīng)的進(jìn)給系統(tǒng)

在高速加工條件下除要求高主軸轉(zhuǎn)速外，還對進(jìn)給軸的速度及加、減速度提出了很高的要求，確保機(jī)床具有快速反應(yīng)能力。（4）高剛度、高精度主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)和機(jī)床結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度以及熱穩(wěn)定性。（5）智能化

機(jī)床控制智能化和加工過程智能化。目前，葉片加工用刀具以硬質(zhì)合金刀具為主。相對于國外企業(yè)，國產(chǎn)機(jī)床工具企業(yè)中高端產(chǎn)品在技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化方面與國外企業(yè)還存在差距。國內(nèi)機(jī)床工具企業(yè)欲在航空航天領(lǐng)域有所突破，還需加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，進(jìn)一步完善技術(shù)服務(wù)體系，提升核心競爭力。3

航發(fā)葉片高效切削策略航發(fā)葉片的材料、結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)，對加工質(zhì)量、效率、成本等方面提出了更高的要求。高效切削是要在數(shù)控切削加工過程中，通過對“機(jī)床-零件-刀具-夾具”工藝系統(tǒng)特性、走刀路徑、數(shù)控編程、切削用量等做具體分析，對刀具種類、刀具結(jié)構(gòu)、夾緊方案、刀軸傾角等加工方案及切削深度、切削速度、進(jìn)給量等切削參數(shù)進(jìn)行全面優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、低成本及綠色數(shù)控加工。（1）合理選擇刀具

高效刀具涉及刀具材料、刀具涂層技術(shù)、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、刀具配套技術(shù)等多方面。刀具的選擇既要適應(yīng)設(shè)備狀況，又必須兼顧葉片以及難加工材料的特點(diǎn)，同時還要實(shí)現(xiàn)高效切削。選擇合適的刀具材料是關(guān)鍵，刀具合理幾何參數(shù)的選擇是重點(diǎn)。在工藝特征允許的條件下，盡量采用刀尖圓弧半徑較大的刀具進(jìn)行高速銑削。在加工中合理選擇與葉片材料和加工條件相匹配的刀具。（2）切削用量的科學(xué)選擇

科學(xué)選擇切削用量在葉片加工中十分重要，在葉片的高效銑削中，依據(jù)刀具的有效直徑科學(xué)地給出切削深度、主軸轉(zhuǎn)速、每齒進(jìn)給量。依據(jù)每齒進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速計(jì)算進(jìn)給速度。在采用球頭銑刀加工時，如果軸向銑削深度小于刀具半徑，則有效直徑將小于銑刀名義直徑，有效速度也將小于名義速度，當(dāng)采用圓弧銑刀淺切深時也會出現(xiàn)上述情況。在優(yōu)化加工參數(shù)時應(yīng)按有效銑削速度選擇。（3）合理制定加工方案，優(yōu)化走刀路徑選擇葉片型面的粗銑加工，是為了去除較大的余量，并為精加工留下均勻的加工余量，粗銑加工應(yīng)該保證具有較高的材料去除率。例如，五軸聯(lián)動葉片加工中心具有寬行加工功能，銑削葉片時采用的是圓柱形立銑刀，銑削軌跡是較寬的橢圓形弧線（見圖1），與球頭刀的銑削相比，對于銑削出同樣的波峰高度或表面質(zhì)量而言，生成的刀具路徑的間距要大很多。因此，這種加工具有很高的加工效率。在實(shí)際加工中，采用在葉片長度方向從一端向另一端移動的回轉(zhuǎn)加工方式，即螺旋銑削方式，具有很高的加工效率和加工精度。圖1葉片模型葉片型面的精銑加工是為了獲得較高的形狀與位置精度，同時使型面表面粗糙度水平達(dá)到一定的要求。以鈦合金葉片為例，為了降低鈦合金材料加工產(chǎn)生的回彈影響和大面積加工時刀具磨損對加工精度的影響，刀具必須保證鋒利，避免同一把刀具長時間加工，引起葉片各處型面加工精度水平產(chǎn)生不一致現(xiàn)象，有利于改善型面最終光整加工的效果。在加工中應(yīng)用加工中心刀庫功能，依據(jù)刀具壽命實(shí)現(xiàn)自動換刀，提高加工過程自動化程度。使用在線測量功能，編制測量程序，實(shí)現(xiàn)零件加工過程有效控制和全程序無干預(yù)復(fù)合加工。4

航發(fā)葉片加工案例某葉片葉肩圓弧在五軸聯(lián)動設(shè)備上加工。數(shù)控加工方案有兩種（見圖2、圖3）：①使用進(jìn)口球頭刀具加工，采用的是螺旋銑的方法完成零件的粗、精加工，效果很好。②全部使用國產(chǎn)端銑刀加工，采用端刀、側(cè)刃分段加工方法。圖2球刀數(shù)控加工方案圖3端銑刀數(shù)控加工方案方案比較：兩種方案均充分考慮了數(shù)控加工工藝性以及整體工藝路線的作用，采取了粗銑、半精銑、精銑的加工路線，優(yōu)選切削刀具和切削參數(shù)，從工藝方法和加工過程上控制了葉片型面數(shù)控加工變形量，效果顯著，實(shí)現(xiàn)了高速、高效、高質(zhì)量無余量數(shù)控加工。兩種方案的區(qū)別在于第一種方案使用進(jìn)口球頭刀具加工，刀具成本較高，加工精度高；第二種方案使用國產(chǎn)端銑刀加工，刀具成本較低，零件表面粗糙度值大大降低，金屬去除率高，刀具壽命也很理想。5

結(jié)語航發(fā)葉片高效切削技術(shù)是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。我們應(yīng)對毛坯狀態(tài)、刀具幾何參數(shù)、裝夾方式、走刀路徑及切削用量等工藝要素進(jìn)行全面優(yōu)化。采取有效減小加工變形的工藝措施，消除各種工藝條件對變形的不利影響。在提高系統(tǒng)剛性的同時，選擇與