薄壁钛合金叶片无余量数控加工技术

　　数控加工适合于中小批量、高精度的零件加工与研制，尤其适合发动机结构复杂的零部件，（如叶片和叶盘等）的研制。目前，美、英等国家的大型航空企业已经实现了叶片无余量数控加工，而我国在此方面的研究才刚刚开始。

1 叶片的特征及结构尺寸

　　该叶片包括叶肩、叶片型面及相关圆弧部分，材料为钛合金，长度约为150ｍｍ，叶型重心相对于轴颈中心线处于偏心位置，最大截面厚度为3.7ｍｍ，最大弦长为39ｍｍ，属薄壁弱刚度零件。

2 关键技术分析

　　2.1 普通机械加工工艺路线

　　数控铣削圆弧和叶肩→数控铣削叶片型面→抛光叶片型面

　　2.2 普通机械加工工艺存在的问题分析

　　采用普通机械加工工艺加工的叶片，经过数据采集与分析存在下述问题：

　　1）半精锻叶片（其型面余量为1.0～1.6ｍｍ）在铣削圆弧和叶肩与铣削叶片型面2道工序后变形较大，叶片出现弯曲变形（弓形），中间截面在Ｙ方向偏移0.1～0.25ｍｍ；

　　2）叶片定位夹紧方式为大轴颈定位压紧，机床顶尖顶紧叶片小轴中心孔，导致叶片支承刚度差，变形增大；

　　3）在铣削叶片型面进、排气边缘时，因为主轴进给速度跟不上A轴旋转速度，导致进、排气边缘出现过切，叶片弦长超差；

　　4）叶片型面测具测量精度的范围有限（≤0.05ｍｍ），不能完全满足叶片型面公差的测量要求；

　　5）依靠抛光方法进行叶片型面余量去除加工，其轮廓度和位置度不能完全满足工艺要求。

3 攻关试验

　　3.1 叶片材料及切削用量的选用

　　该叶片的材料为钛合金，最小切削深度应≥0.05ｍｍ，否则会出现让刀现象。薄壁叶片切削容易出现较大的弹性变形，切削速度Ｖｃ为30～50ｍ／ｍｉｎ，精加工每齿进给量ｆｚ为0.03～0.05ｍｍ，在此条件下的切削状况较为理想。

　　3.2 专用设备的选型

　　加工该叶片型面时，采用双驱动五坐标加工中心作为专用的叶片加工设备。

　　3.3 加工工艺改进

　　3.3.1 改进措施

　　为了克服普通机械加工工艺存在的缺点，保证叶片型面数控铣削和抛光光整加工后满足设计要求，在攻关试验工艺中采取下述改进措施：

　　1）将1次数控铣削叶片型面分为粗、精铣削2次，以降低数控铣削型面的加工变形；

　　2）将数控铣削圆弧和叶肩与数控粗铣削叶片型面2道工序合并成1道工序，使最大程度的变形产生在粗加工工序；3）在粗、精铣削叶片型面工序间增加热处理工序，消除残余加工应力；

　　4）增加热处理后叶片的大小轴颈磨削加工工序，以提高精铣削叶片型面时的定位精度；

　　5）将顶尖顶紧小轴中心孔改为夹紧小轴轴颈的定位夹紧方式，提高叶片的刚度；

　　6）优化叶片型面数控铣削精加工模型，延长进、排气边缘，以消除过切现象；

　　7）利用钛合金抛光专用毡轮，经过数据统计，抛光去除量为0.005～0.03ｍｍ，即可抛除叶片型面上的铣刀痕迹，从而达到设计要求；

　　8）用三坐标测量机对抛光后的叶片尺寸进行检测，确保叶片型面的检测精度。

　　3.3.2 改进后主要工艺路线

　　粗铣削叶片型面及叶肩→消除应力热处理→半精磨上缘板大轴颈→半精磨下缘板轴颈→精铣叶片型面及叶肩→修光叶片型面

　　3.4 试验加工过程

　　3.4.1 精铣削叶片型面

　　1）叶片型面精铣削前后大、小轴颈同轴度的变化。将精铣削前后大、小轴颈同轴度的变化作为评价叶片变形大、小的依据（见表

　　1）。通过对大、小轴颈变形量的比较可以看出，采取一系列措施后，叶片型面数控铣削后，变形得到了明显的控制，大、小轴颈的同轴度得到了明显的改善，为叶片型面轮廓加工尺寸进入公差带范围创造了必要条件。

表1　叶片型面精铣削前后大、小轴同轴颈度比较

　　2）叶片型面精铣削后的轮廓度及位置度范围。利用三坐标测量机对精铣削后的叶片型面进行了测量，首件合格后，开始进行批量加工，共计加工了24件叶片，并对检测结果进行了统计，如图1所示。叶片型面最大轮廓度为0.068ｍｍ（相对于理论型面），超出公差带范围0.018ｍｍ，经过精抛光后，叶片型面尺寸即可满足设计要求。

图1 叶片型面轮廓度统计数据