整体叶盘加工数控技术研究

　　整体叶盘从毛坯到成品的加工过程中，大约有90%的材料被切除，其中绝大部分是在叶盘通道的粗加工阶段完成。因此，高效粗加工是提高加工效率、缩短制造周期的关键。为此，作者根据通道性质，结合切削试验，建立了一套高效的通道粗加工方法，包括自由曲面通道的等高线粗加工轨迹计算；基于粗加工去除量最大化的刀轴方向优化；基于通道临界约束的防干涉计算；粗加工过程动态仿真；刀具的振动分析与控制方法。由于材料切除量大，粗加工后叶盘内会产生较大的切削应力。为控制粗加工应力造成的变形，采取以下3种方法进行处理：通过优化刀具和工艺参数、优化刀具与工件的切触状态，降低加工时的切削应力；通过热处理工艺消除切削应力以减小后期变形；采用工序分散、多次修复基准的方法，补偿变形误差。采取以上工艺措施后，不仅叶盘的变形得到了控制，同时还进一步减少了叶盘精加工前的近成形毛坯余量，明显缩短了加工周期。

　　（4）叶盘型面的精确加工技术

　　整体叶盘的精加工涉及内环、外环、叶片型面、前后缘、叶根过渡区等加工特征。整体叶盘的加工工艺和加工顺序采用基于与或树的向导图表示，它描述了各个加工特征的工艺特点、确定加工顺序的必要条件或充分条件以及每个加工特征对应的加工工艺和刀具轨迹生成方法的集合。例如，内环、外环属于回转面，采用数控车削加工方法；闭式结构叶盘的叶片表面是带实约束面的腔槽（pocket）侧面，采用基于临界约束面的专用五轴数控精加工方案；开式结构叶盘（含大小叶片转子）的叶片表面是带相邻面约束的沟槽（35.-）侧面，采用基于临界线的专用五轴数控精加工方案，或直纹面侧铣加工方案；叶根过渡区是自由曲面交线，采用“半径递减”清根方案。由于整体叶盘的叶片很薄，特别是叶尖和前后缘的厚度不到0.4mm。因此，叶片受到切削力后会产生颤振并出现严重的“让刀”现象；同时，由于受通道的限制，刀具直径小且刀杆长，受到切削力时会产生振动。这种刀具及叶片的耦合颤振严重影响叶片的表面加工质量，使叶片表面出现鱼鳞状缺陷，导致叶尖段多次加工不到位等问题。在有限元分析与测力分析的基础上，采用以下&种方法来解决叶片和刀具的耦合颤振问题：根据刀具受力情况确定刀具的最佳切触位置，减少总切削力和引起颤振的切削力分量；根据不同的结构及零件的刚性确定刀具的参数，使叶片和刀具的刚度协调；通过工艺填充方法，加强叶片切削时的刚性、增加颤振阻尼以实现对振幅的控制。通过加工实验证明，以上措施对抑制颤振、保证叶片加工精度和表面质量都具有十分明显的效果。

图5 整体叶盘样件

4 结论

　　本文在跟踪和分析整体叶盘先进制造技术国际现状的基础上，针对整体叶盘结构特点，结合国内现有工艺，提出了一种整体叶盘复合制造工艺，论述了其中的关键技术和难点的解决方法，总结了整体叶盘数控加工的工程经验。

　　所提方法已在型号研制中得到成功应用，先后完成了某涡扇发动机一、二级风扇叶盘以及某涡轴发动机大小叶片转子试验件的加工，并取得了预期的试验结果。图% 所示为所完成的一级风扇叶盘，经三坐标测量机检测，叶片型面的误差控制在0.05mm以内，叶盘的整体变形控制在0.01mm以内，完全达到了设计要求。