航空發(fā)動機(jī)葉輪的五軸加工和在機(jī)測量

概述

航空發(fā)動機(jī)葉輪構(gòu)造通常包含輪盤、輪蓋以及葉片等，當(dāng)氣體在葉輪葉片的驅(qū)動下隨葉輪高速轉(zhuǎn)動時，一方面受旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力影響，另一方面在葉輪內(nèi)部經(jīng)歷擴(kuò)壓流動過程，使得氣體在離開葉輪后壓力得以提升。葉輪加工以及測量一直是老大難問題，尤其是葉輪的尺寸精度測量，本文采用 Surfmill 軟件進(jìn)行在機(jī)測量，通過五軸曲線控制刀軸方向，使測頭完美適配葉輪表面角度。最終得到高精度的測量數(shù)據(jù)，完成了葉輪尺寸精度測量的任務(wù)，給類似問題提供了一種解決方案。

2 工藝分析編制及精度管控方案

2.1 案例分析

本節(jié)案例葉片共有 6 組，最小圓角 1mm，葉片曲面為直紋面，整體尺寸 Φ80×40mm，模型如圖 1 所示。

①加工精度要求a. 葉片面輪廓度公差 0.05mm，葉片厚度公差為 ±0.05mm。b. 葉片及葉根圓角表面光潔、刀紋均勻、無明顯振紋；要求高速工作時動平衡好，葉輪使用壽命高。

②加工要求a. 所有葉片曲面的全跳動精度 0 到?0.2mm。b. 所有葉片的最大尺寸公差為 ±0.01mm。c. 包覆曲面的徑向跳動為 0.2mm。d. 葉輪中心孔的圓柱度為 0.02mm。e. 加工時間在 15min 以內(nèi)。f. 表面不允許有任何磕碰、劃傷、毛刺等缺陷。g. 葉輪由 6 組葉片組成，葉片扭曲大，相鄰葉片空間小，易發(fā)生干涉。

③材料分析葉片毛坯為車削成型的精毛坯，材料為 7075 鋁合金，作為 7 系鋁合金里的常用合金之一，其強(qiáng)度在常見鋁合金中表現(xiàn)最為突出，因而廣泛應(yīng)用于 CNC 切削加工的零部件，尤其適用于飛機(jī)構(gòu)架等對強(qiáng)度要求較高的配件。在加工過程中，需關(guān)注刀具磨損情況及刀具粘刀現(xiàn)象。

2.2 確定加工方案

①選擇加工方式通過俯視圖角度觀察葉輪，發(fā)現(xiàn)葉輪加工特征復(fù)雜多變，三軸加工無法保證加工精度，而且不能有接刀，因此選擇采用五軸聯(lián)動的方式進(jìn)行加工。

②選擇關(guān)鍵刀具本案例中為減小葉片變形，減小切削力，選用剛性強(qiáng)、排屑能力強(qiáng)的兩刃錐度球頭刀。7075 鋁合金材質(zhì)偏軟，選擇非涂層刀具即可。利用刀具側(cè)刃及刀尖進(jìn)行銑削，刀具最小 R 角為 1mm。

③規(guī)劃工步經(jīng)過分析，葉輪的葉片曲面為自由曲面，故采用點(diǎn)銑的加工方式進(jìn)行切削，采用兩側(cè)交錯分層銑削加工方式，通過左右交錯加工，提高銑削過程中薄壁葉片的支撐剛性，另外，按照逐層開粗、逐層精加工的方法進(jìn)行銑削，不能采用整體開粗留余再進(jìn)行精加工的方法，保持葉片剛性。

2.3 數(shù)字化工藝設(shè)計與編程

2.3.1 搭建數(shù)字化制造系統(tǒng)

導(dǎo)入數(shù)字模型、設(shè)置數(shù)字加工中心、設(shè)置數(shù)字幾何體、創(chuàng)建數(shù)字刀具表、設(shè)置幾何體安裝、創(chuàng)建輔助線面。

2.3.2 編寫數(shù)字化程序

根據(jù)工藝方案，將葉片分成葉片開粗、葉片半精、分流葉片半精、葉片精加工、分流葉片精加工、流道精加工幾個步驟。

①葉輪開粗加工程序開粗選擇 “分層粗加工” 命令進(jìn)行加工，這是因?yàn)榉謱哟旨庸つ軌蛞孕颓豁樞蛲瓿?流道的開粗加工，切削刀具為錐度球頭 Φjd?10?1.00，路徑間距為 0.8mm，主軸轉(zhuǎn)速為 14000r/min，進(jìn)給速度 1500mm/min，整體開粗刀路如圖 3。

②葉片半精加工程序根據(jù)葉片類型，分為直紋面和自由曲面，直紋面葉輪一般采用側(cè)銑法，也就是利用側(cè)刃加工，加工效率高。而自由曲面葉輪常采用點(diǎn)銑法，就是利用刀具的頭部加工，加工精度高，但是效率低。綜合兩種方法，這里選擇五軸曲線側(cè)銑法加工。切削刀具采用上一把刀具，葉片底部余量 0.08mm，主軸轉(zhuǎn)速為 17000r/min，進(jìn)給速度 1000mm/min，半精刀路如圖 4。

③分流葉片半精加工程序采用側(cè)銑法，加工區(qū)域選擇分流葉片，余量、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等都與葉片半精加工相同。由于葉片較薄，剛性不足，若半精和精加工采用分層進(jìn)行加工，則加工效率低下以及葉片表面效果無法保證，使用多軸側(cè)銑命令可以更好的實(shí)現(xiàn)一刀流加工，保證加工效果，如圖 5 所示。

④葉片精加工程序加工方法同上一步，只是把余量改為 0，主軸轉(zhuǎn)速為 14000r/min，進(jìn)給速度 300mm/min。

⑤分流葉片精加工程序分流葉片精加工與葉片精加工相同，同樣采用側(cè) 銑，將加工葉片改為分流葉片。

⑥流道精加工程序選擇 “流道精加工” 命令進(jìn)行加工，采用點(diǎn)銑法，走刀方式是區(qū)域流線。能很好的完成流道精加工，滿足技術(shù)要求。余量為 0，主軸轉(zhuǎn)速為 12000r/min，進(jìn)給速度 1000mm/min。

3 成品余量在機(jī)測量

在機(jī)測量測頭的刀軸控制對于葉輪復(fù)雜面的測量有 3 種方式，一種傳統(tǒng)的測頭采用豎直向下的方式進(jìn)行測量。第二種采用提取葉輪表面五軸曲線的方式進(jìn)行測量，如圖 6 所示為建立的葉片與分流葉片五軸曲線輔助線。第三種方式只是從曲面法向?qū)涌刂频?軸的方向下測頭。

使用點(diǎn)或者點(diǎn)組命令，采集葉片及分流葉片的點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，通過軟件三維擬合出特征曲面，再將擬合出的特征曲面與理論模型進(jìn)行對比，可以得出葉輪實(shí) 際的余量和尺寸。采用點(diǎn)組布點(diǎn)命令，測頭選擇雷尼紹 JD?5.0。

如圖 7 分別通過 3 種測量方式建立的葉輪在機(jī)測量程序。

4 虛擬仿真加工驗(yàn)證及上機(jī)加工

在加工環(huán)境下，選擇采用 Surfmill 虛擬仿真線框模擬、實(shí)體模擬、加工中心模擬分別對葉輪進(jìn)行加工仿真，仿真結(jié)果顯示零件能夠滿足技術(shù)要求。同時采用碰撞仿真與過切檢查命令，未發(fā)現(xiàn)過切與碰撞。采用精雕機(jī) 床完成葉輪的加工及 3 種方式的在機(jī)測量，同時卸下工件完成離線三坐標(biāo)測量。

5 加工效果分析

最終完成葉輪零件的加工，運(yùn)行 3 種在機(jī)測量程序分別對比測量結(jié)果，一種傳統(tǒng)的測頭采用豎直向下的方式進(jìn)行測量，加工中心出現(xiàn)了報錯。某些點(diǎn)位可能會有遮擋。采用提取葉輪表面五軸曲線的方式進(jìn)行測量。可以看出加工的余量尺寸都在公差范圍之內(nèi)。第三種方式只是從曲面法向的方向，但是只能測量葉輪葉片未被其他葉片所遮擋的部分，這種方法不能測的全部的表面，沒法得到葉片大部分的尺寸檢測。

采用的空間歐拉距離測量偏差值計算得來，如圖 8 所示。

圖中可以看到通過五軸曲線測量的 53 個點(diǎn)的歐氏距離的偏差值最接近三坐標(biāo)離線測量。

同時還計算了測量偏差值的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差可以反映測量誤差的波動情況，值越小說明測量一致性越好。

表 1 3 種測量方案與三坐標(biāo)測量標(biāo)準(zhǔn)差對比

表格

測量方法	三坐標(biāo) 離線測量	五軸曲線在機(jī)測量	豎直下刀在機(jī)測量	曲面法向導(dǎo)動在機(jī)測量
標(biāo)準(zhǔn)差	0.0004	0.0023	0.0149	0.0060

可以看出五軸曲線的標(biāo)準(zhǔn)差最接近三坐標(biāo)離線測量，證明測量效果最好。

經(jīng)過選擇本例中采用五軸曲線控制刀軸的方式，對葉輪葉片的測量效果最好，所有加工尺寸均在公差范圍內(nèi)。

通過圖中可以看到，采用五軸曲線在機(jī)測量的方式跟離線三坐標(biāo)測量方式中位數(shù)和平均數(shù)最接近，而采用豎直向下和曲面法向?qū)臃较驕y量的點(diǎn)位都有些許的偏差值，根據(jù)結(jié)果反饋，在復(fù)雜曲面加工上采用五軸曲線在機(jī)測量可以很好的反應(yīng)曲面的加工尺寸及精度。

對于葉輪的加工表面質(zhì)量檢測，我們還采用粗糙度儀檢測加工表面粗糙度值，Ra 0.696μm，Rz 3.223μm， Rmax 3.69μm，RSm 71μm，可以看出到表面粗糙度已經(jīng) 達(dá)到圖紙要求。

6 結(jié)論

通過零件圖分析，選擇合理的加工方案編制刀路。完成了葉片、分流葉片、流道等特征的加工，葉片的粗糙度儀檢測。采用 3 種不同的在機(jī)測量方式完成葉片的尺寸測量，結(jié)果顯示采用五軸曲線測量效果最好，三坐標(biāo)測量儀的誤差最少，在未來的工程應(yīng)用領(lǐng)域有很大的推廣價值。

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