五轴联动叶片加工中心的应用

1 引言

　　叶片是汽轮机、航空航天发动机等的核心部件之一。叶片型面为空间曲面、形状复杂，叶根圆角由多个变直径的圆弧组成，有的叶身中部还带有阻尼台。国内目前加工叶片主要采用以下设备和方法：①三轴机床：用来加工形状相对简单的叶片，先铣削叶片一面，然后翻面装夹，再铣削另一面。此方法需要多次翻面，是一种低效率的加工方法，但该方法应用较早，积累了大量的经验，目前国内还在用；②配A轴的四轴机床：无需手动翻面，效率有所提高；③五轴联动叶片加工中心：当叶片有阻尼台或者加工两端有干涉时，用五轴联动叶片加工中心来加工叶片，无论从加工质量还是加工效率均有质的飞跃，这也是叶片加工技术的发展方向。

　　目前，叶片的形状越来越复杂，三轴、四轴联动机床已难以加3-；同时，市场对叶片的需求量巨大，叶片加工能力严重不足。国内的五轴联动叶片加工中心起步较晚，几乎没有成熟的产品，而购买国外五轴联动叶片加工中心，不但购买、维修价格昂贵而且由于其属于航空类设备而购买受限。因此，笔者设计了一种用于叶片加工的五轴联动叶片加工中心SMC40160。

2 五轴联动叶片加工中心SMC40160的机床结构

　　五轴联动叶片加工中心是专门用来加工汽轮机、航空航天发动机等叶片和其他窄长型具有空间复杂曲面零件的机床。由x、Y、z等直线轴和A轴、B轴等回转轴组成，其中A轴为叶片的回转轴，B轴为刀具摆动轴。直线轴X、Y、Z的布置类似立式加工中心的布置形式，但相对立式加工中心Y、Z轴行程短一些，X轴行程长一些，如果要满足长叶片的加工X轴行程就需更长。

　　五轴联动叶片加工中心SMC40160，如图l(a)(b)所示，有X₁、X₂、Y、Z₁ 、Z₂五个直线轴和A轴、副A轴、B轴三个回转轴组成。其基础为床身9，床身9的上方为左右运动实现X₁ 轴的X₁ 轴拖板10，其上方为前后运动实现Y轴的Y轴拖板11，B轴固定在Y轴拖板上，且B轴回转中心与水平面成45 °；铣削主轴14通过支架13与B轴把合在一起，铣削主轴的轴线与B轴的回转中心成45 ° 夹角，通过优化刀尖点的位置，使刀尖点在B轴的回转中心上或其附近。铣削主轴随B轴的回转而摆动，摆动范围±50 ° ，床身前方左侧的Z1轴底座7与床身联接，Z₁轴底座前方为上下运动实现Z1轴的Z1轴拖板5，其上方为头架底座3，头架底座上方把合有可以连续回转实现A轴的头架1；床身前方右侧有可以左右移动实现X₂轴的X₂轴拖板8，X2轴拖板可以作为z：轴底座，在Z₂轴底座的前方有上下运动实现Z₂轴的Z₂轴拖板6，Z₁轴拖板同Z₂轴拖板通过各自的驱动系统同步上下运动。Z₂轴拖板上方为尾架底座4，其上方装有可以连续回转实现副A轴尾架2。刀库15通过刀库支架16联接在床身9左侧，刀库15容量为24把，刀具接口HSK-A63，机床采用西门子840D数控系统控制。

图1五轴联动叶片加工中心SMC40160的结构设计

3 五轴联动叶片加工中心SMCA0160的机床结构特点

　　该五轴联动叶片加工中心适合加工叶片，特点如下所示：

　　(1)优化刀尖轨迹使刀尖点处在B轴回转中心上或其附近，可减少因为B轴带动铣削主轴摆动而产生的X1轴插补运动，提高叶片表面加工质量。

　　(2)B轴回转中心与水平面成45 °铣削主轴轴线与B轴回转中心成45 ° ，不仅能最大限度的避免加工干涉扩大加工范围，而且由切削力产生的扭矩也不会传输到B轴上，这提高了B轴的刚性。

　　(3)机床配有副A轴在叶片加工时，尤其是长叶加工时(叶片属于薄壁件)，副A轴与A轴对叶片施加“拉力”，改变了经常采用的顶尖对叶片的“顶力”，最大限度的减少长叶片的加工变形，提高叶片的加工质量。

　　(4)刀具铣削主轴为内置式电机驱动，支撑轴承采用陶瓷球轴承，并对其实施变预紧，主轴转速高、输出扭矩大，回转精度高。

　　(5)A轴、副A轴、B轴均采用力矩电机直接驱动，支撑轴承采用转台轴承，配有高精度角度编码器闭环控制，彻底消除反向间隙，动态性能好，输出扭矩大，刚性好，回转精度高。

　　(6)刀具和工件的运动系统分配均衡刀具运动系统包括X₁、Y、B轴，工件运动系统包括Z₁、Z2、A、副A轴，各轴动态性能匹配良好，可有效避免叶片加工过程中的“过切”现象。

　　(7)机床各直线运动部件采用滚柱直线导轨和滚珠丝杠传动，并配有高精度光栅尺闭环控制，刚性好、精度高。

　　(8)在机床中，无论是叶片夹具还是A轴、副A轴、B轴的定向，均通过气动来实现，机床中没有液压系统，降低了能耗和噪音、消除了污染。

　　(9)可选配上下料机械手，减轻工人劳动强度。

4 五轴联动叶片加工中心的应用

　　叶片的叶身型面，是一种不规则但有一定规律的复杂曲面，具有一定程度的弯曲和扭曲，其加工是叶片加工中的重点，也是五轴机床联动叶片加工中心的优势所在。一般采用螺旋加工方法加工叶片，因为五轴联动叶片加工中心不但有高速回转主轴，而且刀具主轴可转换一定的角度，使加工型面的圆角刀完全垂直于曲面，然后再以一定的前倾角方式走刀，加工出来的型面没有过切和死角，这是其它设备无法做不到。

　　当刀具沿3个坐标方向实现连续进给时，加工轨迹形状为一条环绕叶身的螺旋线，这种方法为叶片的螺旋加工方法。螺旋加工法是针对复杂自由曲面而产生的，完全避免了横向进刀，只有一次进刀和退刀，叶片形状一次成型，可连续加工，有较好的加工质量和较高的加工效率，适合叶片加工。但它对编程算法要求较高，可通过配备专业的CAM软件来解决，此款机床配备的是Openmind公司的叶片编程专业软件Hypermill，不但可以大幅度的降低编程时间，而且可以提供优秀的参数模板，适用于不同层次的叶片用户。

5 结语

　　加工结果表明，用此款五轴联动叶片加工中心采用螺旋加工法来加工叶片，无论从加工质量还是加工效率方面较三轴、四轴叶片加工设备均有质的飞跃。鉴于叶片加工在航空航天、能源、国防等领域中的重要战略地位，此次开发的用于叶片加工的五轴联动叶片加工中心意义重大。