（山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061）

隨著航空技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛行器的動(dòng)力核心，對(duì)其零部件性能的要求越來(lái)越高。整體葉盤(pán)為了滿(mǎn)足新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的要求而設(shè)計(jì)，采用了新結(jié)構(gòu)[1-2]，圖1為一種結(jié)構(gòu)形式的整體葉盤(pán)。與傳統(tǒng)的葉片和輪轂裝配式葉盤(pán)相比，整體葉盤(pán)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）省去了傳統(tǒng)連接的榫頭和榫槽形式，簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，使整體結(jié)構(gòu)減重30%，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比；（2）提高了結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)效率；（3）整體葉盤(pán)的剛性好，平衡精度高，可延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子使用壽命，可靠性高[3]。但是，整體葉盤(pán)在加工制造方面存在諸多難點(diǎn)：（1）整體尺寸較大，對(duì)加工設(shè)備的要求較高；（2）葉片和流道表面均為自由曲面，要求的加工精度高，加工過(guò)程中易出現(xiàn)過(guò)切、欠切和干涉等問(wèn)題；（3）整體葉盤(pán)多采用鈦合金和高溫合金制造。其中，鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、耐熱性和耐腐蝕性好等優(yōu)良性能而被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)中。但鈦合金在切削時(shí)呈現(xiàn)出變形系數(shù)小、單位面積上切削力大、切削溫度高、冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重、刀具易磨損等特點(diǎn)，使它成為一種典型的難加工材料。因此需要選擇合適的刀具和加工參數(shù)以滿(mǎn)足高效高質(zhì)量的加工要求[4-5]。

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工方法加工整體葉盤(pán)具有加工效率高、加工可靠、加工柔性好等優(yōu)點(diǎn)，因此該加工方法在整體葉盤(pán)加工中將被普遍采用。目前，國(guó)外整體葉盤(pán)制造方法一般為精鍛毛坯+精密數(shù)控加工和焊接毛坯+精密數(shù)控加工等方法[6]，如美國(guó)GE、P & W公司以及英國(guó)R·R公司已采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑削加工整體葉盤(pán)[7]。在國(guó)內(nèi)，西北工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了“葉輪類(lèi)零件多坐標(biāo)NC編程專(zhuān)用軟件系統(tǒng)”，并且研發(fā)了高效盤(pán)銑-插銑復(fù)合銑削加工中心[1]，是國(guó)內(nèi)對(duì)整體葉盤(pán)銑削加工研究的重要進(jìn)展。任軍學(xué)等[5]提出了包括葉盤(pán)通道分析與加工區(qū)域劃分、最佳刀軸方向的確定與光順處理、通道的高效粗加工技術(shù)、型面的精確加工技術(shù)等整體葉盤(pán)制造工藝方案及數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)。整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)控編程過(guò)程較為繁瑣，且加工過(guò)程中需要選擇合適的刀具，加工質(zhì)量與加工效率仍需提高以滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求。

本文以整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件為研究對(duì)象，利用HyperMILL軟件對(duì)零件進(jìn)行數(shù)控編程，得到加工代碼，利用DMU-70V數(shù)控加工中心進(jìn)行鈦合金TC4整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件的切削加工。葉片和流道幾何特征的精加工時(shí)采用不同的刀具，測(cè)試分析加工過(guò)程中的切削力和加工后葉片和流道的表面質(zhì)量，對(duì)比兩種刀具對(duì)鈦合金零件的切削加工性能。

圖1 整體葉盤(pán)結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometric structure of turbine blisk

整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件幾何模型

根據(jù)整體葉盤(pán)的葉片和流道加工特征，建立圖2所示的整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件實(shí)體幾何模型，包含葉片和流道兩種主要的典型加工特征[8]。該模型中，葉片高度為30mm，葉片最薄處為2mm，流道為圓弧表面，半徑為480mm，葉片與流道連接處的圓角半徑為4mm。

圖2 整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件幾何模型Fig.2 Geometric model of the turbine blisk benchmark

整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件數(shù)控編程

1 刀具參數(shù)選擇

選擇合適的刀具可以提高加工效率、保證零件加工質(zhì)量。粗加工時(shí)，在工件幾何尺寸允許的情況下，選擇大直徑刀具可以保證加工效率；精加工時(shí)，在滿(mǎn)足葉片高度的前提下，為保證刀具有足夠剛度，刀具懸伸要盡可能短[9]。鈦合金TC4為難加工材料，需要選擇適合加工的刀具。綜合考慮整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件的幾何形狀、材料、零件加工質(zhì)量和加工效率等因素，選擇株洲鉆石PM-4E-D20系列和伊斯卡EC-A4 200-38C20系列整體式硬質(zhì)合金平底立銑刀進(jìn)行粗加工，分別選擇株洲鉆石PM-2BL-R4系列球頭立銑刀與伊斯卡EB-A2 08-08系列進(jìn)行葉片和流道的精加工。刀具參數(shù)如表1所示。

表1 選用刀具的類(lèi)型及其參數(shù)

2 數(shù)控編程

2.1 加工參數(shù)選擇

將整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件模型導(dǎo)入到HyperMILL軟件中進(jìn)行數(shù)控編程。航空結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工一般分為粗加工、半精加工和精加工三道工序，但對(duì)于結(jié)構(gòu)性好、變形小的零件可以不采用半精加工[10]。整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件的葉片較短，加工時(shí)的變形小，因此其加工可以按照粗加工和精加工順序進(jìn)行。各加工工序使用的刀具和加工參數(shù)如表2所示。

表2 各加工工序使用的刀具及加工參數(shù)

2.2 粗加工工藝規(guī)劃

整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件粗加工主要是去除葉片間的材料，得到葉片和流道的基本形狀。因此采用三軸加工完成。為了提高加工效率，粗加工選用直徑為20mm的平底立銑刀，采用三軸加工的“任意毛坯粗加工”循環(huán)方式進(jìn)行編程。粗加工的刀具路徑如圖3所示。

圖3 粗加工刀具路徑Fig.3 Toolpath in roughing operation

2.3 精加工工藝規(guī)劃

整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件精加工的目的是去除工件表面剩余的較小余量，達(dá)到要求的尺寸精度和表面質(zhì)量。精加工包括葉片、流道和葉片頂面3部分曲面的加工。葉片曲面加工采用點(diǎn)加工的方式進(jìn)行。刀具球頭部分切削刃參與切削，與待加工表面點(diǎn)接觸。點(diǎn)加工方式適用于葉片曲面扭曲較大的情況，且對(duì)刀具刃長(zhǎng)沒(méi)有嚴(yán)格要求[11-12]。由于葉片頂面與加工坐標(biāo)系的XY平面不平行，若采用五軸型腔循環(huán)的“等高精加工”方式會(huì)在葉片頂部和底部圓角處出現(xiàn)多次抬刀，如圖4所示。該刀具路徑降低了加工效率，而且底部多次的進(jìn)退刀會(huì)使葉片底部轉(zhuǎn)接圓角的加工質(zhì)量非常差，如圖5所示。開(kāi)式整體葉盤(pán)的葉片為懸臂結(jié)構(gòu)，葉片底部圓角處承受彎矩，容易出現(xiàn)裂紋等缺陷，降低葉盤(pán)的使用壽命，同時(shí)粗糙的表面還會(huì)增大氣體流動(dòng)的損失。因此，加工中一定要保證葉片表面和底部圓角的加工質(zhì)量。

圖4 等高精加工循環(huán)方式生成的刀具路徑Fig.4 Toolpath generated by Z-level shape finishing

圖5 預(yù)加工零件圓角不完整性Fig.5 Pre-processed corner

為了得到理想的刀具路徑，在HyperMILL軟件中采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與五軸再加工相結(jié)合的方法。五軸型腔循環(huán)“再加工”為HyperMILL軟件中的一種五軸加工編程方式，該編程方式參考已生成的三軸刀具路徑，對(duì)其進(jìn)行處理，賦予刀具傾角，達(dá)到干涉避讓的目的。生成的刀具路徑雖然是對(duì)三軸刀具路徑的處理，但在零件加工過(guò)程中依然是五軸聯(lián)動(dòng)，而非“3+2”方式。

首先，在編程時(shí)將葉片頂面設(shè)置為工作平面，建立直角坐標(biāo)系，如圖6（a）所示，坐標(biāo)原點(diǎn)在葉片頂面上，z軸與葉片頂面垂直。在該坐標(biāo)系下進(jìn)行三軸加工的“U/V曲面加工”或者“輪廓加工”方式，得到該坐標(biāo)系下葉片表面的三軸加工刀具路徑，如圖6（b）所示。刀具軸線(xiàn)與葉片母線(xiàn)之間的夾角為0°。利用五軸型腔循環(huán)的“再加工”方式將生成的三軸刀具路徑轉(zhuǎn)化為五軸刀具路徑，在該循環(huán)方式下進(jìn)行五軸加工設(shè)置，包括刀具相對(duì)于工件表面的傾角等參數(shù)。生成的刀具路徑如圖6（c）所示，葉片頂部和底部均沒(méi)有多次進(jìn)退刀，底部圓角由刀具連續(xù)加工完成，可以獲得較好的加工質(zhì)量。在生成NC代碼時(shí)，后處理器自動(dòng)識(shí)別轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系與定義的工件坐標(biāo)系，并在原始工件坐標(biāo)系下生成每一步加工的NC代碼。利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和再加工相結(jié)合的方法完成葉片葉身的加工編程可以提高編程效率，得到理想的刀具路徑，解決了因多次進(jìn)退刀造成的底部圓角加工質(zhì)量差的問(wèn)題。

圖6 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與5軸再加工Fig.6 Coordinate transformation and 5-axis re-machining

流道的精加工用五軸曲面循環(huán)的“U/V曲面加工”方式，平滑雙向的走刀策略，按照流道表面兩側(cè)的邊界曲線(xiàn)進(jìn)行刀具路徑規(guī)劃。由于兩葉片向外側(cè)傾斜，存在倒扣結(jié)構(gòu)，因此需要設(shè)置刀具側(cè)傾角，避免加工到靠近葉片根部時(shí)刀具與葉片上部發(fā)生干涉。流道精加工的刀具路徑如圖7所示。

葉片頂面的加工余量小，用五軸曲面循環(huán)的“端面加工”方式一次走刀即可完成。葉片頂面精加工的刀具路徑如圖8所示。

在HyperMILL軟件中進(jìn)行刀具路徑的幾何仿真，仿真效果如圖9所示，刀路仿真模擬過(guò)程中刀具、工件、刀柄、夾具和機(jī)床之間無(wú)干涉碰撞。

圖7 流道精加工刀具路徑Fig.7 Finishing toolpath for hub surfaces

整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件的加工

利用DMU-70V五軸加工中心進(jìn)行鈦合金TC4整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件的切削加工，同時(shí)用測(cè)力儀（Kistler 9257B）對(duì)加工過(guò)程中的切削力進(jìn)行測(cè)量。整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件通過(guò)螺栓與測(cè)力儀連接，用設(shè)計(jì)的夾具固定在機(jī)床工作臺(tái)上，如圖10所示。由于鈦合金的彈性模量較小，工件在加工中易發(fā)生夾緊變形，所以工件裝夾時(shí)夾緊力不宜過(guò)大，否則會(huì)降低工件的加工精度。加工前測(cè)量使用的刀具長(zhǎng)度，即圖11所示尺寸L，將各把刀具的長(zhǎng)度L和半徑R分別輸入到機(jī)床刀具列表對(duì)應(yīng)的刀號(hào)下。在加工時(shí)僅需在粗加工前進(jìn)行對(duì)刀操作，其他工序在換刀后無(wú)需進(jìn)行二次對(duì)刀，節(jié)省了換刀與對(duì)刀時(shí)間，同時(shí)可以減少因多次對(duì)刀引起的加工誤差。

圖8 葉片頂面精加工路徑Fig.8 Finishing toolpath for top surfaces

圖9 精加工刀具路徑幾何仿真效果Fig.9 Simulation of finishing toolpath

圖10 切削力測(cè)試裝置Fig.10 Testing device of cutting force

如圖12所示，葉片1型面及葉片兩側(cè)流道采用國(guó)產(chǎn)刀具PM-2BL-R4（即圖12中刀具1）進(jìn)行加工，葉片2型面及兩側(cè)流道采用進(jìn)口刀具EB-A2 08-08（即圖12中的刀具2）進(jìn)行加工。以整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件精加工工藝為例，分別在葉片1與葉片2的葉身表面及流道1與流道2表面對(duì)應(yīng)選取相同位置，測(cè)量?jī)煞N刀具在精加工過(guò)程中的切削力，對(duì)比兩種刀具的切削力大小，以驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)刀具和進(jìn)口刀具在TC4整體葉盤(pán)加工中的切削性能。兩種刀具加工葉片1、2表面和流道1、2表面相同位置處的一段連續(xù)刀具路徑上的切削力測(cè)量結(jié)果分別如圖13所示，其中切削分力Fx、Fy和Fz的方向如圖10所示，下標(biāo)1、2分別對(duì)應(yīng)表示刀具1、2。從圖13中可以看出，加工過(guò)程中的切削力比較穩(wěn)定。兩把刀具的切削力吻合度較好。隨著加工的進(jìn)行，刀具1的磨損量增大，使得切削力大于刀具2的切削力。由于葉片外側(cè)及流道表面在粗加工之后留下的余量不均勻且加工過(guò)程中刀具軸線(xiàn)相對(duì)于工件表面的角度不斷變化，因此刀具受到的各個(gè)方向上的分力會(huì)發(fā)生變化。

圖11 刀具的長(zhǎng)度和半徑Fig.11 Length and radius of cutting tool

圖12 不同刀具加工的區(qū)域Fig.12 Processing area of different tools

圖13 精加工過(guò)程中的切削力Fig.13 Cutting forces during finishing operation

計(jì)算每個(gè)測(cè)量位置處的切削力，求得兩把刀具在加工過(guò)程中每個(gè)測(cè)量位置的平均切削力，如圖14所示。在葉片精加工過(guò)程中，4個(gè)測(cè)量位置處，刀具1受到的切削力均大于刀具2受到的切削力，但不超過(guò)15%。隨著刀具沿螺旋形刀具路徑向下加工，兩種刀具在各個(gè)測(cè)量位置的切削力比較平穩(wěn)。在流道精加工過(guò)程中，兩把刀具受到的切削力基本相同，相差在10%以?xún)?nèi)，且在不同的測(cè)量位置，切削力的變化非常小。

加工完成的整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件如圖15所示。加工過(guò)程穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)切、欠切和干涉等問(wèn)題，葉片底部圓角加工效果良好，與圖5中的加工效果相比，葉片底部圓角加工不完整的問(wèn)題得到了明顯的改善。

利用激光共聚焦顯微鏡對(duì)精加工后的葉片葉身和流道的表面進(jìn)行測(cè)試觀察，得到加工表面的顯微形貌。兩種刀具加工后的葉片和流道的表面顯微形貌如圖16所示，其表面粗糙度Ra如表3所示。

圖14 不同測(cè)量位置處的切削力對(duì)比Fig.14 Comparison of cutting forces at different measurement locations

圖15 加工完成的整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件Fig.15 Machined turbine blisk benchmark

圖16 葉片與流道的加工表面顯微形貌Fig.16 Micro-morphology of blade and hub machined surfaces

表3 精加工表面粗糙度Ra μ m

從加工結(jié)果可以看出用刀具1與刀具2在加工葉片表面時(shí)，得到的已加工表面形貌基本相同，用刀具2加工的表面粗糙度Ra較小。但對(duì)于精加工后的流道表面，用刀具2加工的表面質(zhì)量?jī)?yōu)于刀具1，用刀具1加工的表面切削痕跡較明顯，且表面粗糙度Ra大于用刀具2的加工表面?？傮w而言，刀具1和刀具2均能夠滿(mǎn)足對(duì)鈦合金整體葉盤(pán)的加工，且國(guó)產(chǎn)刀具可以得到較好的加工質(zhì)量。結(jié)果證明國(guó)產(chǎn)刀具在TC4整體葉盤(pán)加工中的可應(yīng)用性。

結(jié)論

（1）整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件對(duì)整體葉盤(pán)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，保留了葉片與流道等典型加工特征，可以更方便地進(jìn)行加工驗(yàn)證分析。

（2）在HyperMILL軟件中進(jìn)行基準(zhǔn)件的數(shù)控編程，將加工過(guò)程分為粗加工和精加工兩個(gè)階段，其中葉片葉身的數(shù)控編程用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和五軸再加工相結(jié)合的方式進(jìn)行，避免了刀具路徑在葉片頂部和底部出現(xiàn)多次的抬刀，底部圓角由刀具連續(xù)加工完成，改善了加工質(zhì)量。

（3）在DMU-70V五軸加工中心上對(duì)鈦合金TC4整體葉盤(pán)基準(zhǔn)件進(jìn)行了加工。兩個(gè)葉片和兩側(cè)流道分別用不同刀具加工完成，測(cè)量了加工過(guò)程中部分刀路上的切削力，并觀察了加工后葉片和流道的表面形貌。結(jié)果顯示加工效果較好，兩種刀具的加工性能基本相同，所用刀具能達(dá)到鈦合金整體葉盤(pán)零件加工的技術(shù)要求。

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