整体叶盘五轴数控加工技术研究

周 静 李 宁

（江苏省淮海技师学院，淮海 223800）

1 整体叶盘五轴数控加工技术的关键技术

整体叶盘五轴数控加工技术的关键技术主要包括加工工艺规划、刀具选择与优化、切削参数优化、加工过程仿真与优化。加工工艺规划是整体叶盘五轴数控加工过程的核心，合理的工艺规划能够确保加工过程顺利进行，提高加工效率。刀具选择和优化对于整体叶盘五轴数控加工至关重要，合适的刀具能够提高加工效率，减少刀具磨损，提升产品质量。切削参数优化是提高整体叶盘五轴数控加工效率和质量的关键，通过优化切削参数，可以减小切削力，减少刀具磨损，提高加工精度。通过加工过程仿真与优化，可以模拟和分析整体叶盘五轴数控加工过程，找出潜在的问题和改进方向，为实际加工提供参考[1-2]。

2 整体叶盘五轴数控加工技术的应用与发展趋势

整体叶盘五轴数控加工技术在航空发动机制造领域具有广泛的应用前景。通过应用整体叶盘五轴数控加工技术，可以提高整体叶盘的加工精度和效率，降低制造成本，提升产品质量。随着科技的进步和创新，整体叶盘五轴数控加工技术将朝着更高精度、更高效率的方向发展。未来，整体叶盘五轴数控加工技术将更加注重智能化、自动化和柔性化的发展，以满足航空发动机制造领域日益增长的需求[3]。

3 整体叶盘五轴数控加工及仿真

3.1 数控加工工艺方案

整体叶盘五轴数控加工的工艺流程主要包括粗加工、半精加工、精加工和后处理4 个阶段。

3.1.1 粗加工阶段

在粗加工阶段，首先需要根据零件的材料、结构、尺寸和精度要求等因素，确定合适的加工策略。常用的加工策略包括分层加工、区域加工、混合加工等。分层加工是将零件表面按照不同的深度分成若干层，逐层去除材料；区域加工是将零件表面划分为多个区域，分别进行粗加工；混合加工则是将分层加工和区域加工相结合，根据具体情况选择合适的加工策略。其次，选择合适的刀具是保证加工效率和加工质量的关键，常用的刀具包括铣刀、钻头、铰刀等。在选择刀具时，需要考虑刀具的切削刃口形状、切削刃长度、切削刃粗糙度等因素，以及刀具的刚性、耐磨性、抗冲击性等性能指标。最后，粗加工阶段的切削参数对加工效率和加工质量具有重要影响，常用的切削参数包括切削速度、进给速度、切削深度等。

3.1.2 半精加工阶段

在半精加工修整之前，首先要确保叶盘毛坯已经经过粗加工，并具备一定的形状和尺寸。其次，需要准备相应的工具和设备，如五轴数控机床、刀具、夹具等。

叶盘表面的修整要经过粗修整、半精修整和精修整3 个阶段。在粗修整阶段，主要是去除毛坯表面的大部分余量，使叶盘表面初步呈现出所需的形状。在半精修整阶段，进一步细化叶盘表面的形状，同时为精加工阶段做准备。在精修整阶段，主要是对叶盘表面进行最后的调整和优化，以确保其形状、尺寸和精度满足要求。在修整过程中，需要密切关注刀具的磨损情况，及时更换磨损严重的刀具，以保证加工质量和效率；保持稳定的切削速度和进给速率，避免出现剧烈的切削振动或热量堆积；定期检查叶盘表面，以确保其表面质量符合要求；彻底清洁叶盘表面，以去除任何残留的切削屑或杂质[4]。

3.1.3 精加工阶段

精加工阶段是对叶盘表面进行精细加工，包括磨削、抛光等操作。在磨削操作中，选择合适的磨料对于提高磨削效率和质量具有重要作用，根据不同的加工要求，可以选择不同粒度、硬度、形状的磨料。磨削速度是影响磨削效率和质量的重要因素，过高的磨削速度会导致工件表面的粗糙度增加，而过低的磨削速度则会影响磨削效率。因此，需要根据工件的材质、硬度和加工要求，选择合适的磨削速度。冷却液在磨削过程中具有重要的作用，可以降低磨削温度，减少工件表面的粗糙度。因此，需要根据实际情况调整冷却液流量，以保证冷却效果。在抛光操作中，要根据不同的加工要求选择不同粒度、硬度、形状的抛光剂；要控制抛光压力和抛光时间，需要根据工件的材质、硬度和加工要求，选择合适的抛光压力；根据实际情况调整抛光时间，以保证抛光效果。与磨削过程类似，冷却液在抛光过程中也具有重要的作用，可以降低抛光温度，减少工件表面的粗糙度。因此，需要根据实际情况调整冷却液流量，以保证冷却效果。在完成叶盘表面精加工后，需要检测叶盘质量，包括尺寸检测、粗糙度检测、硬度检测等[5]。

3.1.4 后处理阶段

在后处理阶段，要对叶盘进行清洗、涂油等处理，确保产品质量。清洗叶盘的方法有多种，包括溶剂清洗、超声波清洗、高压水射流清洗等。其中，高压水射流清洗具有高效、环保、安全等优点，被广泛应用。高压水射流清洗的基本原理是利用高压水射流冲击叶盘表面，清除表面的污物和杂质。具体操作步骤如下：将叶盘放置在清洗机内，确保叶盘固定牢固，防止在清洗过程中发生移动或碰撞；向清洗机内注入具有一定压力的高压水，确保水覆盖叶盘表面；启动清洗机，使高压水射流冲击叶盘表面，清除表面的污物和杂质，可以根据需要多次使用高压水射流清洗，以确保叶盘表面干净；用清水冲洗叶盘表面，去除残留的清洗剂和杂质。

清洗完毕后，需要对叶盘进行涂油处理。常用的涂油剂有润滑油、防锈油等。涂油的基本步骤如下：将叶盘放置在涂油机内，确保叶盘固定牢固；向涂油机内加入适量的涂油剂，确保油剂能够覆盖叶盘表面；启动涂油机，均匀地在叶盘表面涂抹涂油剂；根据需要，可以多次涂抹涂油剂，以确保叶盘表面完全覆盖；用干净的布或纸巾擦拭叶盘表面，去除多余的涂油剂。需注意，在涂油过程中要控制好涂油剂的温度和涂抹速度，避免出现气泡或涂抹不均匀的情况，同时要定期检查涂油剂的质量和有效期，确保其性能稳定可靠。

3.2 数控程序的编制

五轴数控机床具有5 个轴，分别为3 个移动轴（X、Y、Z）和2 个旋转轴（A、B）。五轴数控机床的编程原理是将待加工的曲面分割成许多小的三角形网格，然后对每个三角形网格进行线性插补，实现刀具的路径规划。首先，选择一个适合整体叶盘五轴数控编程的软件平台，这个平台应具备强大的建模、仿真和编程功能。其次，根据叶盘的设计图纸或实体模型，在软件平台上利用建模工具创建叶盘三维几何模型，主要包括叶片、盘体和装配接口3 个部分，如图1 所示。叶片部分由叶片曲面、前后缘曲面和根部曲面构成。盘体部分由轮毂曲面和轮缘曲面构成。装配接口部分由装配面和定位孔构成。在建立叶盘几何模型时，需要充分考虑各部分的形状和位置关系。整体叶盘几何模型的建立方法主要有计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）建模和逆向工程建模两种。其中，CAD 建模方法通过参数或特征造型技术建立模型，常用的软件有CATIA、SolidWorks 等；逆向工程建模方法则通过测量实际零件得到点云数据，再经过数据处理和曲面重构得到模型，常用的软件有Imageware、PolyWorks 等。

工艺方案的制定应考虑叶盘的材料、加工要求和机床的性能等。利用仿真工具模拟加工过程，可以检查加工路径的正确性，预测可能的加工问题，以及优化切削参数。根据仿真结果和工艺方案，利用软件平台的编程功能生成五轴数控程序，即根据待加工曲面的特点选择合适的刀具和切削参数，确定刀具的路径和运动轨迹；将刀具路径信息转换为数控机床可接受的指令格式，生成G 代码文件；通过计算机仿真技术验证生成的数控程序，确保加工过程的正确性和安全性。在生成程序时，应确保其符合机床的控制系统和编程标准。最后将生成的数控程序输入机床进行验证，在实际加工前，应进行首件试切，以验证程序的正确性和加工效果。根据试切结果，对程序进行必要的调整和优化，以确保最终的加工质量。

3.3 程序模拟及仿真加工

整体叶盘的五轴数控加工模拟主要是利用专业的数控加工仿真软件模拟加工过程，以检查加工过程的正确性和优化加工参数。具体步骤如下：利用CAD软件建立整体叶盘的3D 模型，并导出为STL 格式文件；将整体叶盘的STL 文件导入数控加工仿真软件；根据实际加工需求，设置切削参数、刀具路径等加工参数；根据设定的加工参数模拟整体叶盘的五轴数控加工过程；分析模拟结果，检查加工质量、刀具磨损等情况，以确定最佳的加工参数。在切削力仿真时，通常采用有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）方法，通过建立整体叶盘的几何模型和材料模型，根据切削条件和刀具参数，应用切削力公式计算切削力，最后将切削力作为边界条件应用于有限元模型中，仿真和分析切削力。在切削温度仿真时，同样根据切削条件和刀具参数，应用热传导方程计算切削温度，最后将切削温度作为边界条件应用于有限元模型中，仿真和分析切削温度。在工件变形仿真时，根据加工条件和工艺参数，应用弹性力学方程计算工件变形，最后将工件变形作为边界条件应用于有限元模型中，仿真和分析工件变形。在刀具路径仿真时，通常采用CAD 软件建模和路径规划，根据加工条件和工艺参数，应用计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）软件规划和仿真刀具路径，最后将刀具路径作为输入条件应用于数控机床中，进行实际加工操作。整体叶盘的刀具路径仿真如图2 所示。

图2 整体叶盘的刀具路径仿真

在整体叶盘的五轴数控加工仿真过程中，会产生大量的数据。切削力数据可以反映刀具与工件之间的相互作用力，通过分析切削力数据，可以判断刀具的磨损情况，预测刀具的寿命。切削温度数据可以反映切削过程中的热量产生情况，通过分析切削温度数据，可以判断冷却液的使用效果，以及优化冷却液的喷射参数。工件变形数据可以反映加工过程中工件的变形情况，通过分析工件变形数据，可以判断加工过程的稳定性，优化加工参数以减小工件变形。刀具路径数据可以反映刀具在加工过程中的运动轨迹，通过分析刀具路径数据，可以优化刀具路径以减小刀具磨损和提高加工效率。加工时间数据可以反映加工的效率，通过分析加工时间数据，可以优化加工参数以缩短加工时间，提高生产效率。通过模拟整体叶盘五轴数控加工过程和分析仿真数据，可以得到有效的优化方案，提高整体叶盘的加工质量和效率，这种数据分析方法对于航空制造业的其他复杂部件的五轴数控加工也有着重要的参考价值。

4 结语

整体叶盘五轴数控加工技术是航空发动机制造领域的重要研究方向之一，通过深入研究整体叶盘五轴数控加工技术的关键技术、应用与发展趋势，以及整体叶盘五轴数控加工及仿真，可以为航空发动机制造领域提供更加先进、高效的加工方法和技术支持。同时，随着科技的不断进步和创新，整体叶盘五轴数控加工技术将为航空发动机制造领域带来更多的创新和发展机遇。