整体叶盘加工数控技术研究

2 整体叶盘制造工艺

　　通过对整体叶盘的结构特点和制造工艺需求分析，本文提出一种整体叶盘复合制造工艺。从工艺流程上，将整体叶盘的制造划分为近成形毛坯制造、精确成型加工以及表面检测与抛光等主要阶段。针对每个阶段，筛选出典型工艺方法及其使用条件，并根据叶盘制造过程不同阶段的特点，特别是叶片的复杂程度，调整工艺集成方案，优选出成熟、稳定度高的工艺组合。

　　在近成形毛坯制造阶段，可采用锻造、焊接和精铸1 种工艺。由于整体叶盘为重要受力部件，必须满足强度要求，所以尺寸较大的叶盘一般选用整体锻造或焊接方案。从目前国内工艺的可行性、成熟度以及毛坯强度考虑，整体叶盘研制阶段主要采用整体锻造得到初始毛坯，然后采用电解加工、线切割、数控铣削等高效数控粗加工技术制造出近成形毛坯。焊接毛坯具有节省材料及适合于制造双性能盘的优点，可用于开敞性好、叶片扭曲度小、形状较简单不带箍整体叶盘的近成形毛坯制造，但目前国内尚无成熟技术可用，需解决焊接应力与变形、组织改变及缺陷控制等问题。

　　在精确成型加工阶段，可采用电解加工和整体数控铣削等工艺。电解加工过程无机械切削力，加工应力小，适用于难加工材料零件和难铣削的细节加工，但目前需进一步研究解决电蚀层和光整加工等问题。数控铣削工艺用铣刀的五轴运动包络，铣削加工出流道形状。这种工艺适用于整体闭式叶盘和其他具有复杂曲面叶片的整体叶盘。

　　因此作者认为，国内目前能够满足研制和小批量试制需求较为可行的技术途径是：近成形毛坯应首选“等温锻造+高效低应力粗加工”方法，并进一步减少精锻毛坯余量以缩短加工周期；精确成型加工宜采用五坐标数控铣削工艺。这种工艺具有快速响应特点、所需专用工艺装备少、工艺较成熟且已制造出了合格的叶盘。因而该工艺是研制和小批量试制阶段较为理想的选择。叶型数控铣削完成后，可选用磨粒流或振动光饰方法，以提高表面光洁度和完整性。

3 整体叶盘数控加工关键技术

　　（1）通道分析与加工区域的划分为了判定叶盘数控加工的工艺性和刀具的可达性，必须首先对通道特征进行分析。分析结果可为工艺人员确定数控加工刀具参数、制定加工工艺提供必备的信息，或反馈给设计部门作为可制造性评价依据。通道分析的内容包括：通道的最窄宽度、约束状态；叶片的性质（包括叶片是直纹面还是自由曲面）、叶片的扭曲度、各个截面的厚度、前后缘大小及变化情况、过渡圆角半径及其是否变化；加工可行性等。如图2（A）所示的叶盘通道刀具是可达的，即该叶盘是可加工的；而图2（b）所示的通道刀具是不可达的，即该零件不可采用数控加工完成。

图2 通道加工可行性分析与对接区域划分 

　　对闭式整体叶盘，由于受相邻叶片及内、外环的约束，或受刀具长度和刚度等限制，五轴连动数控加工设备通常无法从一端完成整个通道和叶片的加工，而必须采用从进排气边双侧对接方式。合理划分对接加工区域，如图2（c），既可缩短加工刀具长度，又可增加切削刀具刚性、提高加工效率。加工区域划分准则是：在分界处从两端加工的刀具长度相近，使得叶盘加工从整体考虑刀具长度控制到最短。

　　（2）最佳刀轴方向的确定与光顺处理整体叶盘的叶型曲率变化大，其加工处在多约束状态下。在刀具轨迹计算中，刀轴方向的确定是实现无干涉及高效加工的关键和难点。如图3所示，对于通道内部叶片上的同一点，所需加工刀具长度随刀轴方向变化而变化，且相差很大。若采用固定刀轴侧铣，则需很长的刀具，刀具的刚性和切削效率将严重降低。采用变刀轴点切触加工时，刀轴方向与叶盘轴向的夹角越小，所需刀具长度越短。因此，可通过确定最佳刀轴方向，从而获得最短的刀具长度、最大的刀具刚性和加工效率。确定最佳刀轴方向的准则为：在与通道四周不产生干涉的条件下，刀轴与叶盘轴向的夹角应为最小。

图3 刀轴方向对刀长的影响

　　在实际计算中，按最佳刀轴方向准则计算得到的每个刀位点的刀轴方向，由于受通道多约束的影响，相邻的刀位点之间的刀轴方向可能会产生不连续变化，如图4所示。在加工过程中，刀轴方向的这种突变会使得五坐标数控机床工作台的回转或主轴的摆动突然变快或变慢，导致刀具的切削力产生突变：轻则造成被加工零件表面质量降低或啃伤，重则会导致刀具的刃部损坏甚至刀具折断。因此，必须在最佳刀轴方向初始矢量的基础上，进一步进行光顺处理，但该光顺必须在通道多约束条件下进行，以防止调整后的刀具与通道发生干涉。为了确保叶盘在加工过程中不发生干涉与碰撞现象，必须对刀具轨迹进行验证和干涉碰撞检查，以确定刀位点计算的正确性，刀杆是否与通道四周干涉，刀柄和主轴头是否与工件和夹具碰撞。

图4 光顺前、后刀轴方向的对比