（北京動力機(jī)械研究所，北京 100074）

閉式葉盤是指所有葉片的葉根、葉尖部位分別由內(nèi)環(huán)和外環(huán)連接在一起的一類葉盤零件，因其具有工作效率高、可靠性高、重量輕等優(yōu)點，在航空、航天、水力機(jī)械、能源、家電等行業(yè)均有廣泛用途。盡管有分體制造再連接、精密鑄造、3D 打印、電火花等多種加工方式能夠?qū)崿F(xiàn)閉式葉盤的制造，但對于高精度、高效率、多尺寸規(guī)格的制造需求而言，數(shù)控銑削加工仍然是優(yōu)勢最為明顯的加工方式[1]。

相比于開式葉盤，閉式葉盤的加工對工藝人員、操作人員、機(jī)床以及編程工具等都提出了更高的要求。由于結(jié)構(gòu)的限制，進(jìn)行閉式葉盤加工時經(jīng)常需要從前、尾緣兩個方向進(jìn)刀才能完成整個葉型的加工，兩部分葉型的對接部位不可避免的會留下一條接刀痕跡，當(dāng)接刀誤差超過設(shè)計要求時，就需要再通過打磨等其他工序來進(jìn)一步處理。目前，從已知文獻(xiàn)看，針對閉式葉盤加工的研究側(cè)重點大多數(shù)集中在零件造型、刀具方案、加工區(qū)域劃分以及刀位軌跡規(guī)劃等方面[2–6]，而針對接刀誤差源及其控制方法的研究主要集中在其他結(jié)構(gòu)件加工過程。李和平[7]從切削參數(shù)、系統(tǒng)熱變形、機(jī)床結(jié)構(gòu)等方面分析了散熱器表面加工過程接刀痕產(chǎn)生的原因，并給出了具體的解決方法。秦衛(wèi)偉等[8]針對鋁合金薄壁件凹槽部位加工接刀痕形成原因進(jìn)行了分析，并提出通過改變裝夾方式、裝夾順序以及優(yōu)化刀具路徑的方式來提升加工質(zhì)量。錢楊林等[9]研究了通過調(diào)整編程刀路改善平面與平面、平面與曲面、曲面與曲面等3 種情況下的接刀質(zhì)量。董金偉[10]對數(shù)控加工中工藝系統(tǒng)幾何誤差、受力變形誤差、受熱變形誤差、工件內(nèi)應(yīng)力引起誤差、測量誤差等多方面誤差源進(jìn)行了分析與總結(jié)。鄭財?shù)萚11]從裝配誤差、運(yùn)行誤差、換刀誤差以及熱誤差4 個方面對三軸數(shù)控機(jī)床的加工誤差進(jìn)行了分析。

相比于文獻(xiàn)[7–8] 的平面加工特征對象，閉式葉盤葉型曲面加工誤差控制難度更大，除了文獻(xiàn)[7–11] 提到的各誤差來源外，還需要克服零件二次裝夾以及機(jī)床零點漂移等因素帶來的挑戰(zhàn)。本文以提高閉式葉盤葉型加工精度為目標(biāo)，同時結(jié)合在機(jī)測頭的應(yīng)用，研究了閉式葉盤葉片加工難點、影響因素和加工接刀誤差控制方法，并通過實際零件加工過程進(jìn)行了驗證。

1 閉式葉盤加工流程及難點

本文研究對象噴嘴環(huán)為閉式軸流葉盤，材料采用鈦合金，葉片與內(nèi)環(huán)、外環(huán)整體加工成形，以其為基礎(chǔ)制造的組件為渦輪泵重要組成部分，其葉型輪廓加工精度高低將對整個渦輪泵工作性能產(chǎn)生重要影響，閉式葉盤零件如圖1所示。

圖1 閉式葉盤零件示意圖Fig.1 Schematic of closed blisk

1.1 葉型加工難點分析

噴嘴環(huán)產(chǎn)品的加工難點主要集中在葉型加工過程。由于采用的材料鈦合金為難加工材料，加工時切削力大，刀具易磨損，影響葉型輪廓精度。

其次，由于結(jié)構(gòu)特點限制，在進(jìn)行閉式軸流葉盤加工時，刀具空間可達(dá)性非常差，需要采用分別從正反兩面進(jìn)刀的方式來完成加工，由于二次裝夾引入了新的誤差因素以及加工過程各種其他誤差的綜合作用，導(dǎo)致葉型型面上不可避免的存在一條接刀痕跡。根據(jù)設(shè)計性能要求，為了保證較好的壓氣效果，要求沿著氣流流動方向不存在逆向臺階，對于加工而言，這無疑進(jìn)一步增大了葉型型面加工難度。

最后，由于噴嘴環(huán)葉型曲面形狀復(fù)雜，流道空間狹小，正反進(jìn)刀需要將程序分成多段，如何在兼顧效率的前提下合理選擇刀具方案、劃分加工區(qū)域、避免碰撞干涉的發(fā)生、實現(xiàn)該零件葉型加工五軸編程具有較大的難度。

1.2 閉式葉盤加工工藝流程

根據(jù)設(shè)計圖紙要求，結(jié)合類似產(chǎn)品研制經(jīng)驗，合理制定噴嘴環(huán)零件的加工方案，形成的產(chǎn)品工藝流程如圖2所示。其中葉片型面在第8 道工序數(shù)控銑完成加工。

圖2 閉式葉盤零件工藝流程圖Fig.2 Technology flowchart of closed blisk manufacturing process

1.3 閉式葉盤銑葉型工序流程

閉式葉盤數(shù)控銑葉型工序，工步安排如圖3所示。在原工藝中，在安裝好工裝后，每次重新裝夾零件，均需要找正零件的圓周跳動，通常這一過程十分耗時、費(fèi)力（圖3中紅色實線標(biāo)出的環(huán)節(jié)），且找正效果受到操作者水平的影響，并不穩(wěn)定。在數(shù)控編程方面，國內(nèi)多數(shù)廠家進(jìn)行整體葉盤加工時，采用針對其中一個流道和葉片進(jìn)行編程生成子程序，之后在主程序中通過旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)工作臺逐個將每個葉片調(diào)整到編程坐標(biāo)系中固定位置，再調(diào)用子程序進(jìn)行加工的方式來完成流道以及葉片的加工，其中，子程序中啟用RTCP 功能，這樣做的好處是使得數(shù)控程序能夠直接移植到同型號機(jī)床上使用，而不用根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)的細(xì)微差異再去重新對程序進(jìn)行后處理[12]。

圖3 閉式葉盤銑葉型工序基本流程Fig.3 Flowchart of blade-milling procedure for closed blisk

2 閉式葉盤加工接刀誤差控制方法

2.1 接刀誤差產(chǎn)生原因分析

通常在加工過程中導(dǎo)致產(chǎn)生加工誤差的因素主要包括零件、工裝、刀具、機(jī)床、裝夾環(huán)節(jié)、切削過程因素以及其他因素等[10–11,13–15]，加工過程誤差影響因素分布如圖4所示。

圖4 加工過程誤差影響因素分布圖Fig.4 Distribution of factors affecting the machining error

對于本文的閉式葉盤加工過程，所用刀具經(jīng)過嚴(yán)格挑選，刀具直徑尺寸誤差在0.01mm 以內(nèi)，且加工過程及時檢查磨損、更換新刀；車間為空調(diào)控溫車間；精加工采取小切深、小切寬的思路確保加工過程平穩(wěn)。因而刀具、環(huán)境溫度變化以及切削參數(shù)等因素對誤差的影響已得到較好的控制。經(jīng)過前期試加工發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前仍然對葉型接刀誤差影響比較大的因素主要包括工裝安裝環(huán)節(jié)、零件裝夾環(huán)節(jié)、本工序零件入口狀態(tài)、機(jī)床零點漂移等幾個方面，具體分析如下。

（1）工裝安裝環(huán)節(jié)。加工閉式葉盤時，需要將工裝固定在機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺上，工裝定位面與機(jī)床坐標(biāo)系之間存在一定誤差，具體表現(xiàn)為工裝定位面圓周跳動和端面跳動不為零。以工裝繞Y軸存在偏轉(zhuǎn)角度α為例，如圖5（a）所示，正反面兩次進(jìn)刀得到的兩部分葉片型面之間將存在一定的偏轉(zhuǎn)接刀誤差。類似的，當(dāng)工裝存在圓周跳動時（假設(shè)零件與工裝同心），若正反翻面加工程序坐標(biāo)系原點均仍然設(shè)在工作臺回轉(zhuǎn)中心的話，加工后，兩部分葉型之間將出現(xiàn)偏移接刀誤差，如圖5（b）所示。

（2）零件裝夾環(huán)節(jié)。工裝定位面找正精度較高，而零件正反兩次裝夾過程中，零件裝夾過程存在偏心時（通過檢測零件裝夾后的圓周跳動來檢查）同樣將影響到葉型接刀誤差，具體原理與圖5（b）類似。在加工過程中，零件正反面，兩次裝夾狀態(tài)之間角向相對誤差也會對葉型產(chǎn)生影響，原理如圖6（a）所示。

圖5 工裝繞Y軸方向出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)和工裝沿Y軸方向出現(xiàn)偏移對葉型影響示意圖Fig.5 Effect of fixture deflection around Y axis and offsets along Y axis on blade profile

（3）本工序零件入口狀態(tài)。正反面加工過程零件兩個端面分別與工裝定位面貼合。零件兩端面平行度誤差也會對葉型接刀產(chǎn)生影響，具體原理如圖6（b）所示。類似的，當(dāng)上下端面平面度較差時同樣會導(dǎo)致接刀誤差。

圖6 零件兩次裝夾角向誤差和零件兩個端面平行度誤差對葉型影響示意圖Fig.6 Effect of angular error derived from second clamping and parallelism error on workpiece end faces

（4）機(jī)床零點漂移。隨著時間增長，五軸數(shù)控機(jī)床零點不可避免的存在一定的偏移現(xiàn)象，這同樣將影響到葉型輪廓度，當(dāng)正反兩次加工的兩部分葉型接刀處的誤差不一致時，將會使得閉式葉盤的接刀誤差增大。

2.2 接刀誤差控制方法

基于前文對導(dǎo)致閉式葉盤加工接刀誤差主要因素的分析，本文通過增加前置的磨削工序提高上下兩端面的平面度及平行度，控制多工序誤差耦合因素帶來的影響；通過應(yīng)用基于在線測量的誤差補(bǔ)償技術(shù)來控制零件裝夾后圓周跳動以及翻面過程角向錯位的影響，并給出了基于零件進(jìn)行數(shù)控機(jī)床零點在線標(biāo)定的簡便方法，以盡可能地消除機(jī)床零點漂移帶來的影響。

（1）工藝流程。按照對閉式葉盤加工接刀誤差進(jìn)行控制的思路，設(shè)計該零件葉型的加工工藝流程如圖7所示，其中N為葉片總數(shù)。

圖7 閉式葉盤葉型接刀誤差控制流程圖Fig.7 Control flowchart for blade adjoining error of closed blisk

（2）基于在機(jī)測量的補(bǔ)償算法。如前文所述，零件裝夾后圓周跳動以及翻面過程相對角向誤差均會對接刀誤差產(chǎn)生明顯影響，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在機(jī)測量功能為解決這一問題提供了有效的途徑[15]。本文提出一種基于數(shù)控機(jī)床在機(jī)測量功能確定加工坐標(biāo)系原點偏置以及零件角向的方法。

在機(jī)床A軸和C軸均處于0°狀態(tài)下，利用測頭和機(jī)床自帶測量模塊分別測量零件中心位置坐標(biāo)和銷孔中心位置坐標(biāo)，記為（X1，Y1）和（X2，Y2），如圖8所示。

利用式（1）和式（2）確定零件角向θ及零件中心的初始位置角α。

假設(shè)葉片總數(shù)為N，按照圖9所示順序?qū)θ~片進(jìn)行編號1，2，3，4，…，N。加工任意一片葉片前，需要旋轉(zhuǎn)工作臺使該葉片處于X軸正向方向。此外，還需要重新計算工作臺轉(zhuǎn)動后零件中心在機(jī)床坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)X1,n、Y1,n，計算公式如式（3）所示。

其中，n為待加工葉片序號。將數(shù)值X1,n、Y1,n分別設(shè)置到機(jī)床坐標(biāo)系寄存器（如G54）X軸、Y軸數(shù)值中，并將相應(yīng)的角度值設(shè)置到寄存器的C軸數(shù)值中，再以新設(shè)置的寄存器數(shù)值作為程序坐標(biāo)原點，調(diào)用子程序，進(jìn)行第n個葉片的加工。

3 數(shù)控機(jī)床零點快速標(biāo)定

通常隨著生產(chǎn)車間里的數(shù)控機(jī)床安裝調(diào)試完成，各坐標(biāo)軸零點便被設(shè)置在特定位置。但隨著時間增長，在實際加工中振動、溫度及其他原因的影響下，數(shù)控機(jī)床的零點會逐漸出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，當(dāng)這種漂移達(dá)到0.02~0.03mm 甚至更大時，將會對葉型輪廓度及接刀誤差產(chǎn)生不可忽略的影響。圖10給出了機(jī)床零點漂移的示意，理想情況下機(jī)床零點O與工作臺物理回轉(zhuǎn)中心O1重合（以本文所用五軸搖籃式數(shù)控機(jī)床為例），運(yùn)行一段時間后，機(jī)床零點O與工作臺物理回轉(zhuǎn)中心O1出現(xiàn)了一定偏差。為了盡量消除零點漂移對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，需要采取措施對數(shù)控機(jī)床零點進(jìn)行及時的標(biāo)定及校準(zhǔn)，以滿足閉式葉盤的加工需求。

圖8 零件中心、銷孔中心以及零件角向位置角θ示意圖Fig.8 Part center, pinhole center and position angle θ of workpiece

圖9 葉片序號表示方法Fig.9 Description method of blade number

圖10 機(jī)床零點漂移示意圖Fig.10 Schematic diagram of machine tool zero point shifting

目前，機(jī)床行業(yè)內(nèi)通常采用基于標(biāo)準(zhǔn)球或者標(biāo)準(zhǔn)桿[16]的方法對機(jī)床零點進(jìn)行標(biāo)定，但是實現(xiàn)這種方法需要配備專用標(biāo)準(zhǔn)球或標(biāo)準(zhǔn)桿，且工裝或者零件易與標(biāo)定裝置產(chǎn)生干涉，操作不方便，本文給出一種零件在線狀態(tài)下的數(shù)控機(jī)床零點快速標(biāo)定方法。

3.1 采用千分表方案

首先，將機(jī)床A軸調(diào)整到0°狀態(tài)，并在整個標(biāo)定過程中保持不變。將千分表吸附在主軸端面上（保證千分表能夠隨著主軸自由旋轉(zhuǎn)），確保表針能夠壓到零件外圓。

以標(biāo)定機(jī)床Y軸零點為例，將表針轉(zhuǎn)到Y(jié)軸方向，分別讀出C軸在0°和180°時的千分表示數(shù)，記為D1和D2，如圖11（a）和（b）所示。那么此時D1與D2的差值即為零件H點與B點的跳動量差值。

接下來，工作臺保持不動，如圖11（b）和（c）所示，通過轉(zhuǎn)動主軸，分別讀出表針在零件H點與B點的示數(shù)，記為D3’和D2’。計算（D3’–D2’），并與（D1–D2）進(jìn)行比較，若二者相等（小于1μm 即可視為相等），則此時的Y軸坐標(biāo)值即為機(jī)床Y軸零點漂移值YP；若二者不相等，通過手輪調(diào)整機(jī)床主軸Y坐標(biāo)值，直至二者相等，得到Y(jié)軸零點漂移值YP。按照相似的方法標(biāo)定機(jī)床X軸零點漂移值，記為XP。根據(jù)標(biāo)定出來的機(jī)床X、Y軸漂移數(shù)值XP、YP進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)。

圖11 基于千分表標(biāo)定機(jī)床零點方法示意圖Fig.11 Calibration method of machine tool zero point by dial gauge

當(dāng)使用這種基于千分表的方法進(jìn)行機(jī)床零點標(biāo)定時，需要注意零件與工作臺的偏心值在與被測軸垂直方向上的投影將對標(biāo)定結(jié)果產(chǎn)生影響。以對機(jī)床Y軸零點進(jìn)行標(biāo)定為例，零件在X軸方向的偏心值對千分表測量的影響原理如圖12所示。這時應(yīng)該首先通過工裝與零件之間的定位面配合，確保零件與工作臺的偏心值在與被測軸垂直方向上的投影遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于零件直徑（對于直徑<500mm 的零件，當(dāng)零件偏心值在與被測軸垂直方向上的投影小于直徑的1‰時，對零點標(biāo)定造成的影響可以忽略不計）。

圖12 偏心值對千分表測量的影響Fig.12 Effect of workpiece eccentricity on calibration process by dial gauge

3.2 采用高精度在機(jī)測頭方案

當(dāng)數(shù)控機(jī)床所配置的探針式測頭能夠?qū)崿F(xiàn)較高的測量精度，且數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置圓心自動測量功能模塊時，可以采用基于測頭的簡便方法標(biāo)定數(shù)控機(jī)床X、Y軸零點。

在機(jī)床A軸保持為0°的狀態(tài)下，通過機(jī)床測頭分別測量C軸為0°和180°時的零件中心坐標(biāo)，分別記為（X1，Y1）和（X1′，Y1′）， 如圖13所示。按照式（4）計算機(jī)床X、Y軸零點漂移值XP、YP，最后，根據(jù)標(biāo)定出來的機(jī)床X、Y軸零點漂移數(shù)值XP、YP進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)。

圖13 基于測頭標(biāo)定機(jī)床零點方法示意圖Fig.13 Calibration method of machine tool zero point by probe

本文通過采用標(biāo)準(zhǔn)球的通用方法對上面給出的兩種機(jī)床零點快速標(biāo)定方法進(jìn)行了多次驗證，結(jié)果顯示能夠起到很好的零點標(biāo)定作用。此外，當(dāng)采用基于測頭的零點標(biāo)定時，即使零件存在偏心，本文給出的方法仍然能夠很好地發(fā)揮作用，且易于實現(xiàn)自動化標(biāo)定，能夠用于無人工干預(yù)的生產(chǎn)線上，因而，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價值。

需要說明的是，無論是基于千分表還是基于機(jī)床測頭，都需要零件外圓表面有較好的圓柱度及粗糙度。

4 試驗驗證

4.1 試驗方案

本文驗證試驗在科德KMC400UMT 數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行，粗加工刀具采用錐度球頭銑刀，精加工采用棒棒糖銑刀。通過自制工裝裝夾零件，按照前文所述工藝流程及接刀誤差控制方法對葉片進(jìn)行切削加工。試驗現(xiàn)場如圖14（a）所示。圖14（b）為粗加工工步1 所用刀具類型，圖14（c）為粗加工工步2 以及精加工所用刀具類型（實際加工過程，精加工后的刀具可以用于粗加工工步2）。所用刀具加工過程全程開啟冷卻液。

圖14 試驗現(xiàn)場及刀具照片F(xiàn)ig.14 Experimental setup and tools

4.2 試驗結(jié)果分析

加工后檢查，葉片表面光潔度滿足設(shè)計圖樣規(guī)定的粗糙度Ra1.6μm 要求，采用三坐標(biāo)測量機(jī)檢測葉型輪廓數(shù)據(jù)，圖15和圖16給出了兩組葉片的葉型檢測結(jié)果，其中正面兩部分輪廓是在共同基準(zhǔn)下進(jìn)行測量的。數(shù)據(jù)顯示，正反兩面加工的葉型輪廓對接的比較好，整個葉型偏差全部分布在±0.07mm 以內(nèi)，其中絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)點（圖15對應(yīng)比例為99.35%，圖16對應(yīng)比例為98.68%）的偏差分布在±0.06mm 以內(nèi)。且進(jìn)行多次試驗，均能得到穩(wěn)定的葉片加工質(zhì)量；而采用原方案加工時，零件加工質(zhì)量并不穩(wěn)定，葉型偏差可能達(dá)到±0.11mm 甚至更大。試驗證明，本文所給出的方法實現(xiàn)了對葉型接刀誤差的精確控制，滿足零件制造要求。

圖15 葉片1葉型輪廓偏差檢測結(jié)果(截面輪廓線為示意圖，mm)Fig.15 Checking results of errors for blade No.1 (profile lines are schematic，mm)

圖16 葉片2葉型輪廓偏差檢測結(jié)果（截面輪廓線為示意圖，mm）Fig.16 Checking results of errors for blade No.2 (profile lines are schematic，mm)

5 結(jié)論

從本文的分析過程可以看到，閉式葉盤葉型的接刀誤差受到多個因素的共同影響，需要設(shè)計科學(xué)合理的工藝方案和操作方法來進(jìn)行控制。本文設(shè)計了一種閉式葉盤銑葉型工序加工方案和流程，通過綜合利用機(jī)床測頭功能和機(jī)床RTCP 功能實現(xiàn)了對零件位置的精確定位和偏心補(bǔ)償。最后，在國產(chǎn)五軸數(shù)控機(jī)床上開展了加工試驗，三坐標(biāo)檢測結(jié)果證明了本文所給出的方法能夠有效控制葉型接刀誤差。另外，所給出的零件定位及偏心補(bǔ)償方法、機(jī)床零點快速標(biāo)定方法是基于機(jī)床在機(jī)測頭功能而實現(xiàn)，易于實現(xiàn)自動化，同時降低了對零件裝夾后圓周跳動量的要求，能夠顯著節(jié)省裝夾找正時間，在葉盤自動生產(chǎn)線上具有廣闊應(yīng)用前景。