整体叶盘数控加工技术研究

文章编号：1000-6893（2004）02-0205-04

整体叶盘数控加工技术研究

任军学，张定华，王增强，刘维伟，汪文虎（西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，陕西西安710072）ResearchontheNCMachiningTechnigueofBliskRENJun-xue，ZHANGDing-hua，WANGZeng-giang，LIUWei-wei，WANGWen-hu（TheKeyLaboratoryofContemporaryDesignandIntegratedManufacturingTechnoiogy，EducationMinistryofChina，NorthwesternPoiytechnicaiUniversity，Xi*an710072，China）

摘要：整体叶盘是高推比航空发动机采用的新结构。分析了国际同类整体叶盘制造技术，提出了一种整体叶盘复合制造工艺方案及五坐标数控加工的关键技术，包括叶盘通道分析与加工区域划分、最佳刀轴方向的确定与光顺处理、通道的高效粗加工技术、型面的精确加工技术、加工变形处理和叶片与刀具减振技术等。给出了该研究成果在预研型号中的应用实例，证明了所提方法的先进性和有效性。关键词：整体叶盘；五坐标数控加工；刀轴方向；变形与振动控制中图分类号：V261文献标识码：A

Abstract：Biiskisanewintegratedstructureofbiadesanddiskactuaiiyusedintheaero-engineofhighthrust-weightratio.Basedonthestudyofthestate-of-the-artoftheBiiskmanufacturingtechnoiogyworidwide，aconvenientmanufacturingpro-cessandkeytechnigueof5-axisNCmachiningareproposedinthispaper，Suchnoveitiesinciudeanaiysesofbiisk-tunneifeatureandpartitionofmanufacturingarea，determinationofoptimaiorientationofcutteraxisanditsrefinement，efficient

rough-cuttingofthetunnei，high-precisionshaping，controiofBiiskdistortionandvibrationreductionofcutterandbiade.Preiiminaryresuitsofcuttingtestverifythevaiidityofthetechniguesmentionedabove.Keywords：biisk；5-axisNCmachining；cutteraxisorientation；controiofdistortionandvibration

近年来，国外航空发达国家在新型航空发动机结构设计中采用了称之为整体叶盘（biisk）的最新结构。与传统的叶片和轮盘装配结构相比，整体叶盘将叶片和轮盘设计成一个整体，省去了榫头、榫槽和锁紧装置，避免了榫头气流损失、减少了结构重量和零件数量；在气动布局上采用了宽弦、弯掠叶片和窄流道，从而提高了气动效率。由于整体叶盘使发动机结构大为简化，推重比和可靠性进一步提高，因而在新研制的第四代战斗机所配套的高推比发动机上得到了成功的应用。1国内外整体叶盘制造技术现状从目前所收集到的资料来看［1］，国外采用的整体叶盘结构形式主要有如图1所示的3种典型

结构：（a）闭式结构———带箍整体叶盘；（b）开式结构———不带箍整体叶盘；（c）大小叶片转子结构———开式结构中大叶片间含有小叶片。由于整体叶盘是高速旋转部件，既要达到减重和精确平衡要求，又要提高疲劳强度，因而其制造技术难度特别大。整体叶盘毛坯一般采用钛合

图13种典型整体叶盘结构Fig.1Threetypicaistructuresofbiisk

收稿日期：2003-06-17；修订日期：

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!2003-12-15第25卷第2期航空学报Voi.25No.2

2004年3月ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAMar.2004金、高温合金等难加工材料，不允许有裂纹和缺陷，必须经过严格无损探伤检验；整体叶盘叶片薄、扭曲度大、叶展长、受力易变形，且叶片间的通道深而窄、开敞性很差。因此，整体叶盘的制造和维修都特别困难，是国外严密封锁的核心技术。国外整体叶盘制造采用的主要工艺有：精锻毛坯+精密数控加工；焊接毛坯+精密数控加工；

高温合金整体精铸毛坯+热等静压处理等。由于数控加工具有快速反应和可靠性高的特点，美国GE和P.W公司、英国R.R公司等在研制整体叶盘时，采用了五坐标数控加工技术［2］。从整体毛坯到零件的制造过程中，材料切除率超过90%，

综合技术难度非常大，集中反映了国际数控加工相关技术领域的最新技术和最高水平。在相关软件方面最著名的是NREC公司推出的MAXCAM

系统［3］。国内在整体叶轮叶盘相关软件和加工关键技术方面也进行了大量研究。西北工业大学开发出了“叶轮类零件多坐标NC编程专用软件系统”，该系统集测量数据预处理、曲面建模、曲面消隐、刀位计算、刀位验证及后置处理于一体，已在20多种叶轮叶盘的研制与生产中应用［4］。!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3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。

"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通道加工可行性分析与对接区域划分Fig.2AnalysisOfblisk-tunnelfeatureandpartitiOnOfmanufacturingarea

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!602航空学报第25卷图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。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Fig.3Theeffectofcutteraxisorientationoncutterlength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Fig.4Cutteraxisorientationsbeforeandaftersmoothing