航空整體葉盤(pán)是將葉片和輪轂做成一個(gè)整體，具有重量輕、避免榫頭氣流損失等優(yōu)點(diǎn)，在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉片型面為復(fù)雜自由曲面，扭曲度大，加工精度要求高，相鄰葉片之間通道深而窄、開(kāi)敞性差，使整體葉盤(pán)制造困難，加工過(guò)程中葉片間加工區(qū)域狹窄，刀具可移動(dòng)范圍小，加工區(qū)域約束條件苛刻，使得加工過(guò)程中刀具矢量方向變化劇烈。

    整體葉盤(pán)高效加工是在保證零件精度和質(zhì)量的前提下，通過(guò)對(duì)加工過(guò)程的優(yōu)化和提高單位時(shí)間材料切除量來(lái)提高加工效率和設(shè)備利用率，降低生產(chǎn)成本的一種高性能加工技術(shù)。涵蓋了高效加工工藝；高效加工的數(shù)控編程技術(shù)；高效加工刀具選配及運(yùn)用技術(shù)；加工過(guò)程的智能化控制。通過(guò)選擇小切深、大進(jìn)給等先進(jìn)的加工方法，減少工藝性應(yīng)力集中，降低加工表面非均勻、非穩(wěn)定殘余應(yīng)力，提高零件的抗疲勞強(qiáng)度。

    就國(guó)外整體葉盤(pán)加工技術(shù)來(lái)講，最值得關(guān)注的是以下這三家：

    1.德國(guó)HERMLE整體葉盤(pán)精加工流程

    2.Mitsui SeikiUSA日本三井精機(jī)美國(guó)公司整體葉盤(pán)加工

    3.意大利BRETON龍門(mén)5軸高速加工中心XCEEDER1200RT加工整體葉盤(pán)

    國(guó)內(nèi)外整體葉盤(pán)制造采用的主要工藝有：精密鑄造、數(shù)控銑削、電解加工、電火花加工等。這些工藝各有其優(yōu)缺點(diǎn)，而數(shù)控銑削加工靈活快速、可靠性高，因此發(fā)達(dá)國(guó)家多采用五坐標(biāo)數(shù)控銑削加工整體葉盤(pán)。整體葉盤(pán)毛坯一般采用高強(qiáng)度難加工材料，不允許有裂紋和缺陷，葉片薄、扭曲度大、葉展長(zhǎng)、受力易變形，而且由于葉片間的通道深而窄、開(kāi)敞性很差，材料切除率很高，嚴(yán)重影響了數(shù)控銑削的可加工性。

    數(shù)控銑削加工技術(shù)包括高精度五坐標(biāo)機(jī)床技術(shù)、工藝技術(shù)、五軸聯(lián)動(dòng)編程技術(shù)、刀具技術(shù)等，它代表了相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的最新技術(shù)和最高水平，是新型高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。

    鈦合金整體葉盤(pán)加工工藝分析

    鈦合金整體葉盤(pán)的盤(pán)體和葉片材料通常采用（α+β）雙相熱強(qiáng)鈦合金，具有良好的高溫強(qiáng)度、耐腐蝕性、斷裂韌性、熱穩(wěn)定性和蠕變性能，能夠滿(mǎn)足損傷容限設(shè)計(jì)和高結(jié)構(gòu)效益及低制造成本等要求。

    某鈦合金整體葉盤(pán)毛坯采用焊接結(jié)構(gòu)，盤(pán)體粗加工和葉片毛坯采用線性摩擦焊方式成為一個(gè)整體葉盤(pán)毛坯。葉片為變截面扭曲結(jié)構(gòu)，彎扭度大、葉展長(zhǎng)、葉片外緣薄、進(jìn)氣邊緣和排氣邊緣厚度更薄（不足0.5mm）。葉盤(pán)盤(pán)體外型面為圓錐面，葉片外輪廓也是一個(gè)倒圓錐面（如圖1所示）。
 

    焊接整體葉盤(pán)數(shù)控加工關(guān)鍵就是葉片的數(shù)控銑削，必須突破下面幾個(gè)重大的技術(shù)難題：

    （1）葉片之間的通道窄而深，扭曲角度很大，刀具的可達(dá)性受到限制，必須采用五坐標(biāo)方式并嚴(yán)格控制刀具的軸向軌跡；

    （2）葉片為變截面扭曲結(jié)構(gòu)，葉展長(zhǎng)、葉片薄，造成葉片遠(yuǎn)端剛性極差，葉片厚度公差不足±0.1mm，較小的刀具切削力就會(huì)使葉片外緣產(chǎn)生較大彈性變形，從而使葉片厚度公差難以保證；

    （3）鈦合金優(yōu)異的彈性性能使得精加工振顫加劇，必須采取有效的減振措施，避免振動(dòng)對(duì)葉型表面完整性、粗糙度、厚度公差及焊縫造成不利影響；

    （4）鈦合金屬難切削材料，切削加工本身就是個(gè)難題，葉片根部與盤(pán)體轉(zhuǎn)接半徑僅為R3（3mm），只能采用小直徑刀具清根，讓刀現(xiàn)象嚴(yán)重；

    （5）盤(pán)體的外形為錐面，葉片外廓也是一個(gè)錐面，加工困難；

    （6）葉片的型面不但扭曲角度大，進(jìn)、排氣邊緣厚度為0.3mm，而且排氣邊緣有形狀要求，刀具端刃切削時(shí)易崩刃；

    （7）焊接后葉片是一塊長(zhǎng)方塊形毛坯，余量分布極不均勻，此外還有摩擦焊擠出的飛邊，又高又細(xì)，銑削十分困難。

    總之，該整體葉盤(pán)五坐標(biāo)數(shù)控銑削加工的關(guān)鍵技術(shù)包括葉盤(pán)通道與刀軸矢量的控制、刀具軌跡設(shè)計(jì)及光順處理、通道的高效粗加工技術(shù)、葉片型面的精確加工技術(shù)、加工變形控制和葉片與刀具減振技術(shù)等。數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)及數(shù)控編程必須考慮到以上問(wèn)題，采取有效的工藝措施才能保證設(shè)計(jì)要求。

    整體葉盤(pán)數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)

    1選擇合適的機(jī)床

    對(duì)整體葉盤(pán)進(jìn)行數(shù)控銑削最理想的機(jī)床應(yīng)該是帶轉(zhuǎn)臺(tái)和主軸、能夠擺角的五坐標(biāo)臥式加工中心，并且主軸的擺角范圍要足夠大，能夠?qū)崿F(xiàn)立臥轉(zhuǎn)換。

    由于受設(shè)備、任務(wù)調(diào)度限制，該葉盤(pán)的加工采用了雙擺頭立式五坐標(biāo)龍門(mén)銑，AB擺角范圍為A±30°、B±30°。該設(shè)備的缺點(diǎn)在于沒(méi)有轉(zhuǎn)臺(tái)，不能分度，AB擺角范圍有限。因此必須針對(duì)每個(gè)葉片都有一套數(shù)控程序，程序量比帶轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)床多出了30多倍。

    通過(guò)采取上述手段，此類(lèi)機(jī)床能勝任該整體葉盤(pán)的數(shù)控加工。另外由于該葉盤(pán)上葉片的厚度為50mm，葉展為90mm，采取立式加工方式可使用更短的刀具，因此宜采用立式加工。

    2 設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝

    整體葉盤(pán)的工裝設(shè)計(jì)應(yīng)能夠滿(mǎn)足角向定位和分度的要求，滿(mǎn)足翻面定位夾緊的要求，并能夠滿(mǎn)足機(jī)床擺角后的行程。圖2為粗加工時(shí)的狀態(tài)及工裝使用的情景。
 

    3 數(shù)控銑削加工工藝過(guò)程

    焊接后的整體葉盤(pán)數(shù)控加工面臨的困難是切除摩擦焊產(chǎn)生的焊接飛邊，由于此飛邊又細(xì)又高又硬，銑削時(shí)很容易崩刃，摩擦焊擠出的飛邊容易從根部折斷而將整體葉盤(pán)上的材料帶走，銑削效率極低。因此采用線切割或其他方式比銑削方式可能更合適。

    整體葉盤(pán)外輪廓也是一個(gè)倒圓錐面，必須在葉片較厚剛性較好的情況下加工，所以外輪廓必須在粗加工前先加工，采用Z向分層方式加工。

    整體葉盤(pán)粗加工的目的就是要快速去除大余量。粗加工主軸擺角一方面要能夠切到整個(gè)葉片表面，另一方面也要考慮盤(pán)體的錐度形成。采用直徑20～30mm左右的短刀具最為適宜。厚度方向分層切削，粗加工留2mm余量，接著進(jìn)行半精加工，留0.3mm余量，采用底角帶R的刀具，分層也可以再細(xì)些。

    進(jìn)、排氣邊緣厚度僅為0.3mm，必須在葉片有一定剛性但余量又不太大的情況下加工，所以應(yīng)安排在精加工前進(jìn)行。采用較小直徑刀具，刀具軌跡垂直于葉片邊緣進(jìn)行行切，行距1mm，加工出的邊緣曲線效果良好。

    由于葉片的扭曲造成葉片兩面分為凹面和凸面，考慮到機(jī)床的擺角范圍，所以要安排雙面加工。

    4 選擇合適的刀具

    粗加工刀具首先要控制刀長(zhǎng)，采用較短的刀具和直徑較大的刀具，采用側(cè)銑方式，切削效率和減振效果會(huì)明顯提高。精加工葉片型面應(yīng)選用底角R較大的刀具或球頭刀具，配合較小的行距，切出的曲面會(huì)很光順。

    由于葉片根部為R3，用φ6的刀具剛性太差，無(wú)法加工，所以首先選用φ12R3刀具去除余量，然后用φ16×24°R3的專(zhuān)用錐度刀清根。特制的錐度刀不但保證了刀桿的剛性，而且又能實(shí)現(xiàn)R3的清根，刀具單側(cè)12°的錐度，外加盤(pán)體17°的錐度，主軸需要擺角29°，剛好在其30°擺角范圍之內(nèi)可以銑到錐形盤(pán)體。所以，應(yīng)適當(dāng)定做專(zhuān)用刀具，可有效解決加工過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題。

    5 采取有效的減振與變形控制措施

    精加工另一面時(shí)，葉片的剛性已經(jīng)較差，切削力作用在葉展的端頭，極易產(chǎn)生彈性變形并同時(shí)伴隨著振顫，所以此面的加工重點(diǎn)是控制變形與振顫。葉片變形可直接導(dǎo)致厚度尺寸超差；而加工振顫可導(dǎo)致葉片表面產(chǎn)生振紋（見(jiàn)圖3），并且容易使刀具崩刃，嚴(yán)重影響葉片表面質(zhì)量。
 

    采取在葉片通道間灌注建筑用膠的方法，改變了零件的阻尼特性，確實(shí)有效降低了振顫，并且使刀具轉(zhuǎn)速達(dá)到了1000r/min，進(jìn)給達(dá)到100mm/min。在此基礎(chǔ)上又改用其他稍硬的物質(zhì)填充在葉盤(pán)通道里（見(jiàn)圖4），既能明顯減少振顫，又能在葉片背面形成有力的支撐，抵消切削力造成的葉片彈性變形，確保了葉片的厚度。
 

    此外，順銑方式能明顯減少加工振顫。雙面加工、減少刀具長(zhǎng)度能有效減少刀具振顫。進(jìn)、排氣邊緣很薄，安排在葉片有一定剛性的精加工前進(jìn)行加工，能減少變形與振顫。選擇合理的切削參數(shù)，調(diào)整轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，可有效控制振動(dòng)。

    整體葉盤(pán)數(shù)控加工程序編制時(shí)首先要考慮的是控制刀軸方向，因?yàn)橥ǖ捞?，葉片扭曲，盤(pán)體是錐形等因素，導(dǎo)致刀軸控制稍有差錯(cuò)就會(huì)出現(xiàn)干涉，此外退刀、空刀快速移動(dòng)一定要控制幅度。粗加工可以采用定擺角等高線行切，或五坐標(biāo)側(cè)刃銑削，所有刀具軌跡應(yīng)實(shí)現(xiàn)順銑。精加工刀位軌跡設(shè)計(jì)要流暢、光順，行距要小，才能保證行切出的曲面光順。清根程序要留少許余量，避免刮傷葉片型面。

責(zé)任編輯：李玲珊

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