焊接叶盘组合件加工探析

程卫祥

摘 要：本文论述的是焊接结构整体叶盘组合件的加工方法。所介绍的零件为发动机压气机风扇三级焊接结构整体叶盘组合件。零件材料为钛合金材料，通过叶片、叶环、盘焊接而成。本文从零件精度要求、加工工艺路线介绍了叶盘整体情况，从叶铣削、车削加工中的零件装夹、程序编制、加工参数、刀具选用和切削用量等方面介绍了加工方案。

关键词：整体叶盘；数控铣；焊接；数控车

中图分类号：V261 文献标志码：A

0 引言

随着制造技术的不断提高，在航空领域上整体叶盘作为一种新技术得到了广泛的应用。特别是在新研制的高推重比航空发动机上得到了推广应用，是新一代发动机必需的关键技术。

国外发达国家整体叶盘技术在几十年前就已经开始研究，现在已在高推重比发动机上实现了应用。

1 研究目标

1.1 目的

焊接结构整体叶盘研究的主要目的就是突破焊接结构整体叶盘的制造技术，积累焊接结构整体叶盘的加工经验，掌握下一代发动机关键制造技术。

1.2 零件类型

该零件焊接结构整体叶盘类零件，该零件全部以焊接连接，有41片叶片焊接成叶环，然后叶环和盘再焊接成整体叶盘。

2 研究内容

2.1 叶盘组合件加工工艺

2.1.1 精度及技术要求

焊接结构整体叶盘组合件尺寸精度要求高，尺寸精度为IT7级，非配合表面的尺寸精度为IT8～IT10级。几何形状精度要求严格，叶根流道处轮廓度0.02。相互位置精度要求基准面A和B之间的垂直度为0.02mm，内孔对A、B的跳动量为0.03mm。外圆对基准面的跳动量为0.03mm。孔的位置度为0.1mm。表面粗糙度要求Ra0.8。

2.1.2 零件的加工工艺

根据该零件属薄壁零件、结构复杂、易变形，材料加工性差，而且尺寸精度高、相互位置精度高等特点。制定如下工艺方案（1）：

首先将零件的加工余量分两个阶段去除：第一个阶段在零件焊接前除去大部分加工余量，为防止焊接变形，给精加工留1mm～2mm的加工余量。第二个阶段除去剩余的加工余量，包括叶片部位的加工余量、盘上面的加工余量。

特种工艺的安排：由于该零件为焊接件，增加超声波检查、腐蚀检查等检查内容安排在单件上进行，在组合件上只进行荧光检查。在焊接后消除应力，安排真空热处理工艺。

精铣叶片：由于零件刚性差，加工余量少，精度要求高，加工过程易变形。因此加工中要选用精密的机床，同时选择合理的工艺装备和工艺参数。

3.1.3 叶盘组合件工艺路线

焊接→焊后检查→尺寸检查→修复基准→钻基准孔→ 切断工艺凸台→精铣叶片→精车盘→钻镗孔→修磨叶尖→抛光→荧光检查→测频→检验。

3.2 叶盘组合件铣削加工

叶片型面复杂、扭角大、精度高。叶片铣削时需要五轴联动进行加工，叶片长度为120mm，因此在铣削时，刀具易颤动，刚性不好。所以加工中需要解决五坐标编程问题，刀具颤动问题，零件变形问题。为解决以上问题，在数控铣削中做出以下安排：

3.2.1 零件的装夹

为保证夹紧力和防止零件变形，在加工中采用专用工装装夹，加工前找正内径跳动量不大于0.015mm，端面跳动量不大于0.015mm，定好基准面，压紧面、角向基准。

3.2.2 编制五轴联动数控铣削程序

在整个铣削过程中，数控铣削程序编制是最复杂的。首先确定铣削加工方案，根据铣削余量2mm，将铣削分为粗铣加工和精铣加工。根据加工部位将铣削过程分为铣削叶片叶身，铣削流道，清根加工3种方式。在编程中铣削方式采用螺旋式铣削、点接触铣削，由于数据量大，采用软件编程，编程方式参考UGCAM教程（2）。

同一把刀具可以连续铣削3片～5片叶片，铣削叶片长度在0.1个叶身长度，这样可以保证在铣削过程中避免由于换刀造成接刀痕出现；刀具进给采用变速切削模式，在铣削叶片靠近进排气边缘时，切削速度减半，这样可以避免刀具在刀轴角向变化过大时，过切或欠切削零件，保持切削速度的稳定。

刀具的选用：在选择加工刀具时应考虑被加工零件表面形状、工件材料的性质；零件的加工精度及所选用的设备、冷却液等因素。在加工叶身型面时需用三把种刀具才能完成整个零件的铣削任务。

粗铣刀具：刀具为镶齿式硬质合金铣刀，主要由于刀片便宜，可以降低加工成本，又能满足加工要求，刀具长度160mm，刀具直径ф16，半径r8。

精铣刀具：选择精度高，刚性好的整体硬质合金铣刀，刀具长度160mm，刀具直径ф16，半径r8。

清根加工：由于叶片根部半径的限制，刀具半径不能超过叶片根部的半径值。为此只能选用刀具的切削部位為ф10的球头铣刀，但是由于刀具长度过长160mm，这样长的刀具在加工时必然由于刀具刚性不好引起振动。为此需要设计专用的切削刀具，减少刀具振动等不利因素。解决这个问题在加工中可以采用球头角度铣刀，也可以采用闭式叶盘的加工方法，在铣削叶片根部时，从叶片的进排气边缘分别进刀，这样就可以缩短刀具的长度，但增加了接刀痕等不利因素。如何克服这些不利因素，需要在实践中继续探索和试验。

数控程序编制：由于是五轴联动，而且是点铣加工。因此在编制程序时需要大量的数据进行计算，必须采用计算机进行程序计算。在编制程序过程中我们采用了一种专用的编程软件，可以快速的、高质量的完成数控程序的编制工作，大大的提高了编程效率和编程质量。

数控设备：五坐标加工中心，工作台行程在1000mm以上，摆头角度90°～-30°，也可以选用带有翻转工作台的加工中心，翻转角度0°～90°，设备精度要求较高，这样才能满足加工要求。

3.3 叶盘组合件车削加工

叶盘组合件车削主要是保证盘体的尺寸及其精度要求，以及盘与叶片之间的相对位置精度等要求。如何保证精度要求，需要进行大量的试验和研究。在刀具选型，制定走刀方式，加工方法等方面需要全面考虑。

3.3.1 零件的装夹

叶盘车削加工同铣削一样，在加工中采用专用工装装夹，在加工中需要替换压板，因此应注意换压板时造成零件的移动。

3.3.2 刀具的选用

根据被加工零件表面形状，零件的加工精度。在加工盘型面时用三把种刀具才能完成整个零件的车削任务。

车端面刀具：由于端面开放性好，因此可以选用刀片强度高的刀具，刀具为机夹式硬质合金80°菱形刀片，也可以采用焊接硬质合金刀片。

车型面刀具：由上图可以看出，盘的型面复杂，加工精度高，因此选择精度高，刚性好的30°菱形刀片。

车槽刀具：在加工叶盘过程中，有两种类型的槽。一种是端面槽，一种是径向槽。这两种槽都比较深，开放性不好，因此可以选用专用车刀进行车削。

车径向槽刀片参数为：刀片厚度5mm， ф6球头槽刀刀片，材料为硬质合金。

车径向槽刀柄：90°镶嵌式机夹刀柄。

车端面槽刀片参数为：刀片厚度5mm， 刀片宽度5mm，刀尖半径r0.4槽刀刀片，材料为硬质合金。

车端面槽刀柄：镶嵌式机夹刀柄。

3.3.3 切削用量

在制定切削用量时根据零件的加工精度、表面粗糙度、被加工零件的材料性质、刀具耐用度等因素来确定。车型面采用沿轮廓走刀，进给量0.1 mm/r ～0.3mm/r。车槽采用插铣方式走刀，进给量0.1 mm/r ～0.15mm/r。

结论

经过课题小组的研究，在盘零件上面试验，成功地加工出了盘的型面；在五坐标设备上试验加工叶片型面时，产品质量基本满足要求。

参考文献

[1]姜雪梅.盘轴制造技术[M].北京：科学出版社，2002.

[2]谢国明.UGCAM实用教程[M].北京：清华大学出版社，2003.