压气机叶片型面精密数控铣加工技术运用分析

张玲丽 黄艳云

中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽 合肥 230088

引言

叶片是航空发动机的重要零部件，具有种类多、数量大、型面复杂、精准度要求高的特点，在传统意义上压气机叶片型面加工过程中，数控铣后型面会残留0.2m的余量。这些余量会采用手工砂轮抛光的方式来去除，并在这个过程中依靠截面样板来将检测叶片截面尺寸大小。在这样操作背景下压气机叶片型面的截面尺寸难以被有效控制，在设计的过程中容易出现设计超差，最终影响发动机的性能。为了能够解决这个问题，文章针对弱刚性叶片的使用局限提出了关乎其工艺、工装、数控加工模型、数控程序编制和检测等方面的改进措施，最终提升了压气机叶片型面的精细化加工水平。

1 压气机叶片型面叶片结构的基本特点分析

文章所选择的叶片材料为GH2132合金，叶片的总体长度为121mm，叶身型面部分长度为77.85mm，弦宽在26mm到27mm之间，截面的最大长度为2.22mm。弱钢性叶片加工的最大特点是切削散热性比较差，在使用的过程中刀具磨损速度比较快，加上受叶片刚性不足的影响，在加工进排气边附近型面的时候会出现欠切的效应，加工的过程中也容易出现较大的加工变形，叶身型面位置度、扭转公差保证起来十分困难。在加工的过程中要求叶身被控制在5mm范围内，型面的基本轮廓公差为0.06mm，型面其他部分轮廓度公差为0.12mm，在加工过程中各个截面的位置度不能够超过0.1。压气机叶片型面切削加工的基本特点分析[1]：第一，切削加工性能较差。由于合金中的强化相比较多，由此决定压气机叶片的热强性能良好，切削加工性能较差。第二，切削力量较大。压气机叶片在较高的温度环境下仍然会具备较高的物理机械性能，由此产生的切削力量会增大。第三，切削变形较大。在高温的环境下设，合金组织中会含有较多的奥氏体组织，奥氏体组织作用下会使得压片机更容易出现塑性变形。第四，加工硬化现象严重。高温合金的硬度不高，因为切削操作会出现塑性变形，在发生塑性变形之后还会出现比较严重的晶体扭曲现象，伴随会使得已经加工完成的表面出现冷作硬化。另外，在切削高应力和高温度的影响下，合金中的强化相会从固溶体中溶解出来，最终会提升材料的加工强度和加工硬度。

2 叶片结构和材料特点对型面切削加工精准度的影响分析

叶片型面切削加工操作在受到零部件薄壁弱刚性性质和材料切削加工性能、刀具磨损的情况下会出现因为切削力量和残余应力的变化而出现一系列的变形问题，在出现这些变形问题之后会使得具备复杂空间曲面性质的型面轮廓几何精准度无法被保障。叶片结构和材料基本特点对型面切斜加工精准度产生的影响表现如下[2]：

第一，叶片型面所具备的薄壁性质会使得叶片本身会出现因为定位不精准而引发的切削力量较大或者切削力量变形。型面曲面性质作用下的切削加工处理方式也会使得弱刚性的型面在扭矩力量传递的过程中深受变形影响。第二，叶片上的钛合金、高温合金加工材料均具备难以切削的性质。刀具在使用的过程中会在不断磨损的过程中而出现切削性能不断降低的发展趋势。第三，叶片在进行批量性毛坯加工锻造和热处理的过程中，个体叶片受切削力量和残留力量心梗不同的影响，其对刚性薄弱和几何精准度会产生比较大的影响，在实施操作的时候对工艺控制因素也会提出较高的要求。

3 原有加工制造技术的应用局限

在最开始引进数控铣制造技术的时候，受制造工艺编排经验不充分的影响，对于一些容易变形的航空发动机叶片，特别是高温合金材质类型的叶片，在数控铣削加工变形规律、加工操作程序、参数确定、刀具耐用磨损等方面的经验比较少，在具体实施的时候仅仅能够实现叶身型面小余量的铣削加工，数控铣后的余量需要被控制在0.1mm到0.2mm之间。按照以上工艺对叶身型面完成抛光后对坐标参数实施三次测量，通过对测量结果分析之后发现，原有制造技术在使用的时候主要存在以下几个方面的问题：数控铣的型面轮廓度比较差，加工操作既存在型面轮廓度差的问题，又存在增厚超差的问题；进排气边存在方头。

4 叶身型面以及进排气边精密加工措施

4.1 工艺路线的优化

传统意义上的叶片加工操作会使用专门的编程软件生成螺旋形刀具轨迹，铣加工叶身型面的时候，叶身型面在切削力的作用下会产生变形。切削力可以被划分为沿叶身形面刀位点切向的切削力、沿叶身型面法的切削力两个部分。在切削处理的时候，fF是主切削力，在始终压向叶身型面，铣削叶身型面，由于整个法向切削力的作用会使得工件产生一定的扭转位移量，在产生位移变量之后叶身型面出现弯曲变形。

通过开展小批量叶片试验加工对叶片型面的精细化、粗略化加工工序进行分析，采取适合的工艺方法对叶片进行加工，分析截面位置度和扭转的数值大小。通过采取精细化、粗略化加工的方式来去除型面多余量，在型面数控铣加工之前开展基准修复，由此在最大限度上降低型面加工弯曲变形现象的发生，保证各个截面的位置度和扭转要求符合规范的标准。在叶身型面完成毛毡修光去除痕迹之后计算叶身型面的公差数值。

4.2 叶片型面精密铣削加工装备技术和设备的选择

关于叶片型面精密铣削加工定位基准和压紧方式的选择来说，当前，社会领域所产生的共识是，在具体施工操作的时候要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加工处理方式。为了能够保证检测的精准性，一般会选择两个和轴向方向互相垂直的两个平面，在选定好平面之后沿着平面进行压紧处理。

4.3 数控铣夹具的优化设计

4.3.1 原有数控铣的夹具结构。原有数控铣夹具结构存在以下几个方面的问题[3]：在压紧螺栓2压紧角向定位稍的时候，对叶片实施角定位能够降低压偏处理，而在压紧螺栓一带动压块压紧轴颈之后不仅不能够顺利纠正叶片的叶片的偏移倾斜， 在两个压紧螺栓松紧不一致的情况下会带动角向定位销的扭转，最终会造成叶片角向扭转，导致叶片在装夹结束之后处于偏斜和扭转的位置上。不仅如此，在具体实施操作时叶片定位和装夹需要采取三个螺栓固定化处理，受螺栓规格大小不同的影响，在具体装夹操作的时候会需要使用两个类型的扳手，工作效率低下。

4.3.2 优化后的数控铣夹具结构。原数控铣夹具在使用的过程中容易出现以下几个方面的问题：第一，在压紧螺栓2压紧角向定位稍的时候要对叶片的角向定位进行压偏处理，在压紧螺栓1带动压块压紧轴颈之后，不仅不能够纠正叶片的偏斜，加上两个压紧螺栓松紧不一致，会带动角向定位稍扭转，由此会造成叶片角向扭转，由此会使得叶片在装夹结束之后处于偏斜的位置。另外，叶片的定位和装夹需要紧固三个螺栓，在这三个螺栓的设置中一般会存在两个规格大小。

针对之前数控铣具的缺点对其进行更深入的改进，一方面，需要专门设计角向定位机构，在进行角向定位之后在轴颈方向滑动，并将其和压紧机构分离，轴颈压紧机构紧紧依靠螺栓推动压紧钩，对压紧的部位实施轴颈压紧处理。经过改进之后，不管角向锁紧螺钉锁紧力如何，在达到锁紧力以上状态的时候，叶片就能够完成轴颈角向定位，在这个过程中对轴颈压紧方向不会产生影响，其仍然能够实现自由滑动。在不受其他作用力影响的情况下能够精准地将轴颈压紧在具体的夹具上。

4.4 加工模型逆向补偿和程序的分组优化处理

4.4.1 加工模型补偿前的问题以及问题对策。考虑到叶片截面轮廓呈现出边缘薄、中间厚以及高温合金本身难以被切割的现象，在数控铣削型面边缘位置上会因为刚性不足而出现“让刀”的现象。此处位置上轮廓厚度要比轮廓最小数值大0.03mm，在0.06mm轮廓范围的基础上会呈现出0.03mm的余度范围，但是在这个过程中刀长度检测误差、主轴热伸长误差和刀具本身的误差接近0.02mm，由此会产生数控铣后型面轮廓度增厚或者减薄超差的问题。为了能够解决这个问题，要对加工模型实施逆向误差补偿，对叶身截面型线的坐标进行调整。在每组刀具上加工四个叶片，并分别对第一件到第四件叶片进行进排气边缘为5mm的厚度比对分析，通过数据综合比对分析来评价加工质量的稳定与否。在具体实施操作的时候分别采取一组刀具加工的第二件至第四件叶片各截面实测数据，将监测获得的数据信息和理论数据进行综合对比，在进行一系列综合对比之后获得各个点的补偿数值，并在模型数据点y值坐标上进行补偿处理，单个截面型面轮廓数据补偿之后利用所有新截面生成补偿后的模型进行编程。

4.4.2 单个叶片型面中间厚、两侧薄的问题以及问题对策。在整个型面轮廓精铣过程中，由于两端截面靠近装夹部位，由此使得叶片对支撑刚性比较好。型面轮廓基本上可以按照程序的数值来进行加工处理。但是在靠近中间部位截面上的时候叶片的支撑刚性较差，截面厚度和两边的截面会出现0.02mm增厚偏差。

针对这个问题可以采取以下的措施来进行解决：以中间截面最大截面偏差来作为基本参考标准，其他截面的最大厚度的偏差和VII截面进行对于比。差值是整个截面轮廓的厚度补偿值，一般通过对单个截面线进行偏置处理，和对加工模型截面误差产生的补偿处理相比，通过补偿各个截面的设定能够更好地优化型面截面厚度。

4.4.3 数控程序采取分组优化的对策。通过必要的程序分组处理来保证同组道具型面加工的精准度和稳定度。从加工第二件叶片开始，逐渐减少型面的程序余量，比如第二件型面的余量降低为0.03mm，并在降低处理之后通过主程序来进行调用。

4.4.4 型面检测方法的改进。样板测量方法虽然是一种定量测量方式，在具体测量的时候要将精准数值范围控制在0.1mm以内，在数值控制不够精准的情况下是无法获得精准的数据信息。一般在型面粗铣工序加工应用的时候，型面检测的优势作用会进一步凸显出来。和传统加工相比，在叶身型面和进、排气边缘实现精密铣削加工操作的时候会沿用多年的型面和进、排气边缘在实现精密铣削加工处理之后，如果一味地使用传统测量方式将无法达到理想的测量效果。

4.5 试验结果分析

在完成叶身型面模型、加工程序、加工参数的优化处理之后按照改进后的加工程序完成近十台叶片的型面精铣加工，90%以上的叶片叶身型面的余量会被控制在0.02mm以内，截面的位置度和扭转公差会满足整个工艺流程的要求。在对每组新刀加工第一件叶片到第四件叶片模型逆向补偿分析之后我们会发现，经过10台份叶片加工检验分析之后发现，单件叶片型面精铣时间降低了50%，在真正意义上实现了精品叶片的深加工。

5 结束语

综上所述，切换可行的制造工艺和关键工装设计能够有效提升叶片型面精密数控铣削加工质量，采用数控铣加工技术还能够实现航空发动机压气机叶片型面的精细化铣削处理，在使用程序分组技术和模型优化技术加工之后能够提升叶片加工的精细化水平。