航空发动机机匣五轴插铣数控加工技术

　　航空发动机是飞机的核心部件，而机匣是航空发动机的主要零件之一。目前航空发动机机匣多采用钛合金、高温合金等耐高温、难切削材料；结构上以回转轮毂面为主体周向分布柱状岛屿凸台，零件最薄处仅 2~3mm厚，属多岛屿复杂薄壁结构件，如图1所示。机匣铣削前的过渡毛坯通常为车削加工后的回转件，从过渡毛坯到最终成品的加工过程中，绝大部分余量在粗铣加工阶段去除。因此，实现机匣高效粗加工是缩短其制造周期的关键。

　　插铣加工是一种高效粗加工方法，目前插铣加工越来越广泛地应用于难加工材料、大余量复杂结构件的粗加工中。国内外学者对插铣加工轨迹规划进行了大量的研究，日本学者C.Hirano等[1]利用二维C-space方法求取无干涉刀轴范围，在此基础上对刀轴进行调整实现五轴高效插铣粗加工。埃及学者T.Tawfik等[2]利用不同大小刀具进行插铣加工，采用重叠填充圆法对插铣走刀路径进行优化，试验证明该方法可提高插铣加工效率。国内西北工业大学对复杂零件插铣加工技术进行了比较深入的研究：利用直纹面逼近整体叶轮叶型曲面以确定通道内可插铣粗加工区域的边界，进而规划插铣加工轨迹[3]；基于最小面积原理求取开、闭式整体叶盘通道偏置直纹包络面，在此基础上进行开、闭式整体叶盘插铣轨迹规划，有效实现了开、闭式整体叶盘的多坐标开槽粗加工[4-5]。哈尔滨工业大学梁全等[6]根据直纹面叶片的偏移边界矢量，利用四元数插值方法计算插铣加工的刀轴矢量，并推导了多坐标插铣加工的行距和步距计算公式，保证了插铣加工效率。

　　本文针对航空发动机机匣结构特征提出一种插铣粗加工轨迹生成算法，根据机匣零件结构进行加工区域划分，规划插铣走刀路径，插铣刀轴计算，加工干涉判断与处理，最终生成插铣加工轨迹。

　　机匣结构分析与加工区域划分

　　机匣以回转轮毂面为主体，沿周向呈一定角度分布若干类不同形状的岛屿凸台，结构复杂、尺寸较大，实际加工中通常根据岛屿凸台位置关系将整个加工区域沿零件回转轴方向分为若干环形加工区域（图2）。对每个环形加工区域按周向角度划分成扇形加工区域，其部分区域具有相同加工特征（图3），为提高加工轨迹生成速度，对具有相同加工特征的区域只需规划其中一处加工轨迹，其余区域加工轨迹可通过坐标变换获得，从而以最少的加工区域插铣刀位轨迹规划完成整个零件的加工。

　　对任一加工区域规划插铣刀位轨迹应在不发生干涉的前提下最大限度地去除毛坯，其加工特征F包括：该区域轮毂面Hs、位于Hs 内的岛屿（内岛屿）{I}、位于Hs外但在加工时可能与其发生干涉的岛屿（外岛屿）{J}，根据加工特征F对该区域进行无干涉五坐标插铣加工轨迹规划。