航空发动机五轴数控加工技术探索

中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 杨金发 张积瑜 朱静宇 赵天杨

中国航发沈阳发动机研究所 梁宏坤

目前，国外航空发动机数控加工广泛使用五轴数控加工中心，技术成熟。国内的精密加工中心，集成了整机设计、可靠性、热变形补偿等技术，基本达到国际先进水平。 我们在五轴数控加工技术方面，需要不断研究并完善相关的工艺，提高五轴数控机床加工效率确保零件加工质量。在实际加工之前，迫切需要对选定的加工工艺进行零件精度预测和控制。五轴数控加工中心在低速区要有较大的转矩，以利于快速去除材料，提高加工效率；在高速区要有良好的五轴动态性能，也就是说要有较高的加速度，尤其是回转轴，防止出现五轴不同步造成的过切。五坐标加工中心最好采用电主轴，以利于精铣过程提高加工效率。

国外先进航空发动机

五轴数控加工中心大量应用在机匣、叶片、整体叶轮等零件及难加工材料的加工中。其中整体叶轮是航空发动机关键零件，其结构特点是：叶片薄而相对较长，扭曲大而极易变形，相邻叶片空间极小。整体叶轮加工时，加工槽道逐渐变窄，刚度低，加工轨迹的约束条件较多，零件容易产生变形，极易产生碰撞干涉，刀具容易折断，加工出合格的零件十分困难。

五轴数控加工刀具优化研究

整体叶轮精铣刀具的选择，仅局限在对刀具直径、齿数、锥度及总长四方面的要求，缺乏对刀具螺旋角、前角等影响加工质量和效率的参数考虑，成为制约叶轮制造能力提升的因素之一。

通过统计整体叶轮加工刀具在现场加工中经验数据，对反映的问题系统地分析，与刀具制造商紧密协作分析查找影响加工质量、效率和刀具使用寿命的问题原因，通过优化刀具几何参数和涂层等方法，实现提高产品质量和加工效率的目标。

整体叶轮

针对加工整体叶轮装夹刀具的刀柄进行优化，采用小长径比、热涨刀柄和小直径整体硬质合金铣刀相结合的方案，进行整体叶轮的精铣加工，以期提高加工刀具系统地整体刚性，减少因采用大直径铣刀精铣叶身型面带来的让刀，提高叶片表面质量，降低零件的制造成本。

优化后的加工刀具与完善后的叶片铣削策略相结合，以实现加工效率和表面质量两项指标的综合最优为目标，对现用非标锥度球头铣刀的螺旋角、前角、刀具齿数等刀具结构参数与加工过程中所采用的每齿进给量、主轴转速、切削线速度等切削参数进行正交试验，以确定优异的叶型精铣加工刀具，并形成整体叶轮刀具选择指导说明书。

同时，针对密齿刀具加工的高效性以及有效缓解加工振动的作用，开展新型刀具的切削试验，以减小叶片表面振纹的产生。

复杂曲面五轴数控加工过程控制

五轴数控加工存在的误差因素有：机床几何误差，机床各部件存在制造安装误差，刀具几何误差，刀具的长度及半径较理论值存在偏差，夹具几何误差，夹具定位面、定位销等存在几何误差，工件的定位误差，工件装夹中由于基准不重合或基准偏移造成的工件在加工坐标系中的位置误差。

五轴联动机床铣削叶片时，机床主轴的摆角功能满足了叶片型面曲率变化所对应的切削受力一致的要求，同时利用A 轴可实现刀具相对工件进行环绕加工，这对控制叶片受力变形十分有利。

五轴数控加工中心在加工整体叶轮时，其切削加工过程是一项复杂的系统工程。对数控刀具、刀柄、冷却系统等硬件及零件在线检测、数控程序后置处理、加工过程自适应调整等过程控制手段有严格地要求。针对叶身型面成形的关键因素，需要从刀具的加工前精度控制、加工中的磨损反馈、机床主轴功率监控、技术防错措施的应用等方面开展数控加工过程质量控制研究。

需要针对数控程序后置处理与机床控制系统加工参数匹配的一致性开展工作。由于整体叶轮叶片为复杂曲面形状，因此采用MAX-PAC等专用软件编制完成的数控程序，需要通过专用的机床后处理文件翻译成每台机床能够识别的G代码数控程序。这项工作非常重要，需要对每台数控机床控制系统非常了解，在数控程序中匹配加工复杂型面的五轴控制指令，发挥机床的控制系统的最大潜能，通过针对性的工作进一步开发完善加工整体叶轮五轴机床的后置处理器，提高零件的加工质量和加工效率。

为了保证程序的正确性、可加工性，减少实际试制时间，在VERICUT软件上进行仿真加工。通过仿真可对程序进行分析，发现在加工中是否过切、欠切。特别是刀具轴变化有特殊要求，旋转角度有限制的程序，可通过仿真确保刀轴变化平稳过渡。还可以通过仿真，了解机床在真正加工时所处的状态。应用VERICUT软件还可以对数控程序进行优化，最大限度保证数控程序的正确性和合理性。对于仿真结果不理想的程序，则要重新修改，直至仿真结果符合加工要求。

整体叶轮叶身型面数据预处理技术

数据的预处理包括对截面线的光顺处理和制造模型重构两方面工作。通过在UG计理论数据进行截面数据的光顺处理，并进一步开展对三维曲面的总体表面优化，以得到更有利于实现表面优质成型的基础模型。通过对进排气边缘形状的调整，以保证光饰处理后前后缘形状满足设计要求；通过构建非均匀余量模型，提高铣削系统刚性，保证铣削加工质量。

五坐标整体叶轮铣削振动抑制

运用CAM软件在自动生成典型零件刀具轨迹时，只考虑到几何特性，没有过多考虑机床的动态特性，生成的数控程序在VERICUT等仿真软件上结果很正确，但往往在实际加工时，由于受到切削系统受力变形及机床振动的影响，数控加工效果不很理想。工件表面质量较差，甚至会产生过切和欠切等现象。这就需要以典型零件试验件为载体，进行加工过程的颤振稳定域建模分析，实现零件的颤振抑制；优化切削参数，提高加工效率和加工表面质量、抑制加工振纹；对整体叶轮加工振动检测，获取振动的特征幅值与对应的频率；对刀具在加工过程中进行可靠性评估，对加工过程刀具的状态进行有效监测，根据刀具的使用寿命，及时更换刀具，保证加工质量。消除或减少零件表面产生的颤纹，提高零件表面质量。

提高五轴数控加工技术应用水平基本策略

（1）整体叶轮类零件加工时对刀具的选择比较严格。选择刀具时应综合考虑毛坯的材料、机床类型、允许的切削用量、刀具刚性和耐用度、精度要求采用热胀刀柄减少装夹次数，缩短加工准备时间；整体叶轮类零件粗铣加工采用层铣+变位插铣，同时提高铣加工线速度。精铣加工采用密齿铣刀可大幅提高加工效率。五轴数控铣削精度高、可重复性强，铣刀采用国产化刀具可大幅降低生产成本。因此要大力推广先进国产数控加工刀具。

（2）在数控编程前，要熟悉机床设备的性能及其技术参数。数控编程时，编程人员要分析零件的材料、几何形状、尺寸大小、加工内容、加工精度、技术要求、热处理等。在分析的基础上确定加工方案、加工路线、工装夹具、定位夹紧方法对刀点、换刀点等，并合理选定机床、刀具和切削用量（铣削用量）等。

（3）高效加工技术方面，小切深、大进给面铣高效加工技术：该技术在机匣、整体叶轮粗铣加工应用成熟，不仅提高了加工效率，而且减少了对数控加工设备的损耗，延长了设备使用寿命。采用五轴联动变位插铣技术：该技术在整体叶轮、部分机匣上的应用，保证刀具长径比在大于5的情况下，仍然可以保持高效加工。

（4）强化五轴数控加工过程质量控制，研究虑动态误差因素对加工质量的综合影响，如五轴机床伺服误差和热误差、工艺系统受力/热变形误差、刀具磨损产生的误差等，形成标准的工艺流程。研究采用国际上成熟的数控加工自适应控制软件。整体叶轮数控加工程序量非常大，由于采用五轴加工，加工过程中刀具切削参数始终在动态变化，在转接圆角等位置切削力变化剧烈，因此有必要采用专业切削力分析软件对加工过程中切削系统受力情况进行仿真分析，获得优化的切削参数。

结语

五轴数控加工主要通过控制刀轴矢量、投影方向和驱动方法来生成加工轨迹。加工关键就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不断变化或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成空间某个角度，利用铣刀的侧刃或底刃进行切削加工。航空发动机典型零件如机匣、整体叶轮等的加工质量和加工效率是提高制造技术水平的关键，在实际加工过程中需要针对典型零件加工误差和加工效率的关系，建立误差与效率的综合评估模型，使得在加工误差允许范围内，不断提高加工质量和加工效率。需要对典型零件加工过程中动力学和热力学引起的刀具和工件变形进行预测和计算分析，并研究工件变形的控制及其补偿技术，形成完善的加工工艺。□