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數控加工中葉片（piàn）零件特征及切削刀具的選擇研究

2023-12-5 來源：新疆（jiāng）應用職（zhí）業技術學院作者：安（ān）東亮，何歡歡（huān）

摘要（yào）：葉片作為（wéi）航空發動機、汽輪機等動力機（jī）械中重要（yào）的工（gōng）作零件，葉片零件的加工質量直接影響動力裝置的使用（yòng）壽命和性能。在實際（jì）加工過程中，葉片零件的結構形狀差異較大，種類多，加工工藝複雜，對加工質（zhì）量和加工精度要求高等特點，直接增加了數控加（jiā）工（gōng）的難度。根據葉片零件加工特點，在數（shù）控銑削加工中選擇（zé）適合的刀具，既能夠降低加工成本，又可提高（gāo）加工效（xiào）率和質（zhì）量。對此，文章（zhāng）首先從葉片結構和材（cái）料方麵闡述了數控加工中葉片零件的（de）特征，然後分析了葉片零件的數控加工特點，說（shuō）明葉片零件加工的特殊性，明確在（zài）葉片（piàn）加工中刀具選擇的重要性，最後針對葉片零件（jiàn）特征對數控加工中（zhōng）如何選擇刀具種類進行論述，主要從刀具的結構、材料和幾何參數進行分析。選擇適宜的加工刀具（jù），滿足葉片零件的加工需求，在保證加工效率的同（tóng）時，提（tí）升加工精度。

關鍵詞：葉片零件；數控加工；刀具；刀路軌跡

葉片零件作為動力機械（xiè）裝（zhuāng）置中重要的組成部分，其加工質（zhì）量和精度一直受到業界的關注。相對於其他製（zhì）造技術而言，利用數控（kòng）加工技術進行（háng）葉片（piàn）零件製造具有（yǒu）顯著的優（yōu）勢，加工（gōng）效率（lǜ）和加工精度都較高。在數控加工中，刀具與（yǔ）零件直接接觸，可見刀具的選擇至關重要。尤其是對（duì）於葉片零（líng）件而言，其（qí）加工難度更大，葉片在不同的（de）工作環境中會呈現不同的幾何形態，葉身的曲（qǔ）麵較為複雜，葉根種類較多，在刀具運行過程中還（hái）需要考慮是否會對（duì）其他（tā）結構麵產（chǎn）生（shēng）影響。刀具的材料、結構、幾何尺寸等（děng）都關係到零件的加工質量和加工精度，通過對葉片零件（jiàn）的結構、種類和工藝特點的分析，利用相應的軟件對加工中的刀路軌跡、殘留量、切削力（lì）、刀路軌跡時間等進行仿真實驗，可選出滿足葉（yè）片零件加工需求的最佳刀具。刀具的選擇關係到數控加工的成本、效率、質量和精度，也（yě）是我國機械加工領域技（jì）術優化的重要途徑，在促進機械加工（gōng）行業發展中具有重要的經濟效益和社會效益。

1、葉片零件的結構形態與材料

葉片零件在不同的應用場景中有不同的種類，一般葉片的葉身曲（qǔ）麵都比較複雜，通過對葉片零（líng）件的結構形態和材料進行分析，可為葉片零件的數控加工刀具（jù）選擇提供參考（kǎo）。

1.1 葉片的結構形態

根據應（yīng）用的場景（jǐng）與功能的不同，葉片零件會有不（bú）同的（de）結構形（xíng）態。下麵主要對葉片（piàn）較為常見的結構形態進行分析，包括葉身、葉根、葉冠與阻尼台。葉身一般呈現三維空間的曲麵，因為在工作狀態時葉身直接接觸氣流，對氣體（tǐ）進行壓縮或者膨脹，所（suǒ）以葉身的加工精度以及表麵的粗糙度對動力裝置的性能有很大的影響。葉根是（shì）葉（yè）片（piàn）與（yǔ）葉盤連接的重（chóng）要部位，其主要（yào）作用是強化葉片的剛（gāng）性和強度，保證葉片在工作狀（zhuàng）態（tài）時的穩（wěn）定性。在葉片加工中，葉根是相（xiàng）對較（jiào）為（wéi）簡單的部分，設計理念也追求簡單，便於裝配。葉冠位（wèi）於渦輪轉子葉片（piàn）的頂端（duān），其主要（yào）作用是減少氣流的損失，提高工作效率，抑製葉片在工作狀態時的振動幅度，葉冠形狀一般會采用平行四邊形或者鋸齒形。阻尼台的作用主要是增強葉身的強度，以減少葉身在工作狀態時產生的振動。

1.2 葉片的材料

因為葉片零件一般應用於動力裝置（zhì）中，需要（yào）依靠（kào）葉片的高速（sù）旋轉（zhuǎn）將動能轉化為機械能，所以工作環（huán）境一般都具有較高的溫度，且工作（zuò）載荷較大。為（wéi）了（le）保證運轉性能和工作效率，對葉片零件的製造材料有一（yī）定的要求，需（xū）要具有較好的物理和化學（xué）性，比如強度、抗衝擊能力、耐腐蝕、高溫疲勞（láo）性能、化學穩（wěn）定性等（děng），以便能夠在複雜的工作環境中高效運轉，同時保證自身結構的穩定性。不同的（de）工作（zuò）場合對葉片零件的機械性能有不同的要求，在選擇葉（yè）片材料時需要根據實際需求而定（dìng）。比如低於 2 500 ℃的環境中應選擇鋁合金（jīn）材料，2 500 ～ 4 500 ℃的環境中應選擇鈦合金材料，高於 4 500 ℃的環境應選擇不鏽鋼 [1]。相對（duì）於其他材料而言，鈦合金在高溫下（xià）具有較（jiào）好的疲勞強度拉伸性、蠕變強度和拉伸性，且鈦合金的質量較強，多用於我國的航空發動機葉片（piàn）製造中（zhōng）。

2、葉片零件數控加工特點

通過對葉（yè）片零件的結構分析，能夠總結出葉片零件在數控加工中的工藝特點，主要從以下（xià）幾個方麵進行（háng）闡述。

2.1 加工區域和夾具約束對刀具的幹（gàn）涉

葉（yè）片零件的葉身結構較為複雜，在數控加工中刀具的路徑（jìng）軌跡不僅會受到（dào）葉身複雜曲麵的影響，還會受到夾（jiá）具的約束，這會嚴重限（xiàn）製刀具的種類和結構類型。在編製葉片零件加工工（gōng）藝時，對於刀具的路徑軌跡（jì）要充分考慮到葉片結構對刀（dāo）具的幹涉。比如在加工葉片連（lián）接部位時，刀具的刀（dāo）杆極（jí）易（yì）發生加工幹涉現象，而（ér）在加工葉身曲麵時也容易出現過切和欠切的現象，這些都是由於葉片自身結構對刀具路（lù）徑軌跡的影響。因此，在選擇刀具時，需要充分考慮到（dào）這些特點，然（rán）後選擇適宜的刀具種類和結構。

2.2 刀具（jù）軌跡複雜

刀具的軌跡關係到加工效率和加工質量，而刀具軌跡的編製是根據工（gōng）件的形（xíng）狀和結構而確定的。葉片零（líng）件的葉身曲麵較為複雜，在數控加工中還會受到葉片自身尺（chǐ）寸的影響，對（duì）於尺寸較小的葉片零件，刀具的（de）加工區（qū）域受限，會增加加工（gōng）的難度。在加工葉片時，處於不同的加工（gōng）階段，刀具的（de）軌跡會受（shòu）到不同的影響，尤其是在（zài）精加工階段（duàn），刀具的軌跡會更加接（jiē）近葉身曲麵的形狀，刀具的軌跡也會更加複雜。在加工葉身與葉根相交部位時，在空間和加工精度的影響下，也會增加刀具運行軌跡的難度 [2]。

2.3 加工過程中的受（shòu）力情況複雜

根據加工（gōng）對象（xiàng）的（de）結構和（hé）剛度不同，刀具的（de）運行速（sù）度、受力情況（kuàng）也會存在較大的差異。因為葉片零件的葉身曲麵結（jié）構較為複雜，所以在數控加工（gōng）時需（xū）要頻（pín）繁變換刀具的刀軸姿態和速度（dù）。在（zài）加工（gōng）葉身的進氣邊和排（pái）氣邊時，曲（qǔ）線的曲率有較大的變化，刀具的受力也會（huì）隨之發生劇烈的（de）變（biàn）化。大部分葉片零件的葉身（shēn）結構都（dōu）比較薄，剛度（dù）較弱，並且（qiě）葉身的剛度分布不均，在加工時受到刀具（jù）受力和速度的（de）影響，可能產生變形現象，直接影響葉片的加工精度。

2.4 加工（gōng）時（shí）間長

因為葉片零件的（de）結構複雜（zá），所以數控加工時（shí）間較長（zhǎng）。對於整料毛坯的（de）葉片加（jiā）工，在粗（cū）加工階段的金（jīn）屬去除量較大，會耗費較長的時間。在半精加工階段，需要去除粗加（jiā）工階段的（de）殘餘部分，刀（dāo）具的切入和切（qiē）出步驟增加，進一步增加加工時間。在精加工階段，為了（le）保（bǎo）證加工精度，需要（yào）選擇直徑較（jiào）小的刀（dāo）具（jù），在結構較為複雜的曲麵葉身加工中，還會經常變化刀軸姿態，受到加工區域輪廓的限製，勢必會耗費大量的時（shí）間。加上其他（tā）的輔助加工，相對於其他工件而言，葉片的加工時間較長。

3、葉片零件數控加工（gōng）刀具的選擇

刀（dāo）具作為數（shù）控加工的重要工具，直接關係（xì）到葉片零件加工的效率和質量，在選擇刀具時（shí）要與加工對象的（de）特（tè）征相匹（pǐ）配（pèi）。通過（guò）對葉片零件結構、材（cái）料和加工工（gōng）藝的分析，可以總結出葉片零件數控（kòng）加工中對刀具的要求。刀具的結構和類型要能夠滿足葉片在不同加工階段的（de）切削需求，在（zài）不同的加工姿（zī）態下刀（dāo）具在切削過程中都要有較強的穩定性，刀具的切削（xuē）性能和效率能夠滿足葉片在不同加工階段的需求。此外，刀具還應（yīng）該具備互換性好，規格統一，便於管理等特（tè）點，具體如下（xià）。

3.1 刀具材（cái）料的選擇

在數控加工中（zhōng）刀具直（zhí）接與工件接觸，在高速轉動過程中由於摩擦會產生大量的熱量，刀具還需要完成大量的切削（xuē）加（jiā）工，刀具材料需要在硬度、剛度、導熱性等方麵達到一定的要求。根（gēn）據工件的（de）特征，還需要對刀具材料的其他物理性能和化學性能進行選擇，以確保工件的加（jiā）工效率（lǜ）和加工質量，對於刀具（jù）材料的選擇可（kě）從以下幾個方麵考（kǎo）慮。

刀具材料選擇需要（yào）滿足力學性能的匹配性，在葉（yè）片零件的（de）粗加工階段，刀具需要完（wán）成大量的金屬去除工作，因此刀具材料的硬（yìng）度要高於工件材料的硬度，才（cái）能夠滿足切削需求。在保證硬度的同時（shí），還要考慮到材料的韌性，防止刀（dāo）具斷裂；為了減少在加工中刀具與工件摩擦升溫而產生變形，刀具材料要具有（yǒu）較好的導熱性能（néng）；為了防（fáng）止刀（dāo）具和工件出現（xiàn）黏結和擴散磨損的現象，應該（gāi）考慮到刀具（jù）材料與工件材料之間的抗擴散性、化學反應和親和性，需要（yào）結（jié）合工件材料來選擇適宜的刀具材料（liào） [3]。在選擇刀具材料時，還需要結合加工工藝的特點、刀具材料的成（chéng）本、加工精度的需求等各項因素，最（zuì）終選擇最適宜的刀具材料。

3.2 刀具的（de）結構和（hé）形狀選擇

選（xuǎn）擇刀具（jù）類型時，需要結合葉片零件在數控加工的不同階段所呈現的形狀特征和加工精度需求來確定，以葉片零件不同加工階段的加工工序為依據，大（dà）致闡述刀具類型的選擇。

（1）葉身加工刀具選擇。在葉身粗加工階段，葉盆曲麵的內凹輪廓是影響刀具（jù）半徑的主要因（yīn）素，在葉（yè）身曲麵（miàn）不過切的情況下，盡量選擇半徑較大的刀具。如果采用型腔（qiāng）銑的方法，可以將葉（yè）身分（fèn）為兩（liǎng）部分進行翻麵銑（xǐ）削。刀具（jù）可以選擇半徑較大、剛性較好的可轉（zhuǎn）位類型的刀具。如果選擇以兩次銑削的（de）方式去除餘量，可以選（xuǎn）用半徑較小的整體式立銑刀。如果葉片（piàn）零件沒有葉冠和阻尼台，而且葉身毛坯的加（jiā）工餘量較大（dà），可以采用插銑的方法，選用插銑（xǐ）刀（dāo）進行粗加工。

葉身（shēn）粗加工後，已經呈現出大致的輪廓，可以進行半精加工。在半精加工階段可根據葉身半徑的不同選擇不同的刀具類型，如果選擇翻麵加工葉身，可以選用整體（tǐ）球（qiú）頭銑刀和可（kě）轉位的球頭（tóu）銑刀。如果選擇從（cóng）葉身頂部螺旋銑削到椽板殘留量處，可選用（yòng）端銑刀。

在葉身精（jīng）加工階段，因為刀具（jù）的運行軌跡基本與葉（yè）身形（xíng）狀一致，所以選擇的刀具半徑要小（xiǎo）於葉身內凹輪廓，可根據葉身尺寸選擇適（shì）宜半（bàn）徑的球頭銑刀。

（2）葉根加工刀具選擇。因為葉根粗加工的餘量較大，所以可以選擇半徑較大的可轉位立銑（xǐ）刀或（huò）者立銑刀。在葉根半精加工階段，由於加工區域空間受限，應該選（xuǎn）用半徑較（jiào）小（xiǎo）的立銑刀或（huò）者球頭銑刀。葉（yè）根精加工階段主要是對葉根（gēn）與椽板連接處的斜麵、圓角、樺

根連接處的圓角加工，兩個圓的半（bàn）徑都較小，因此要選用（yòng）半徑更小的球頭銑刀 [4]。

（3）清根加工刀具（jù）選擇。在清根加工階段（duàn），為了避免主軸、刀（dāo）具與葉身發生加工幹涉，可以（yǐ）通過調整刀（dāo）具的刀（dāo）軸傾角進（jìn）行（háng）防範。對於葉身與椽板連（lián）接處的圓（yuán）角以及（jí）椽板麵的精銑，應選用半徑較小（xiǎo）的整體硬（yìng）質合金球（qiú）頭（tóu）銑刀。

3.3 刀具的幾何參數選擇

選擇刀具的幾何參數時應（yīng）該（gāi）根據工件的形狀、尺寸來確（què）定，同時，還應該滿足相（xiàng）應的原則。為了防止加工過程中刀（dāo）具與工件之間發生碰撞，應該遵循無幹涉原則，通過工件加工方案和刀具運行軌跡的（de）比較分析，選擇適宜的刀具，避免出現刀（dāo）具（jù）斷裂或者零（líng）件報廢的現象。根據工件加工精度的需（xū）求，刀（dāo）具幾何參數的選擇要在滿足精度的基礎上，控製加工成本，保證加工效（xiào）率。

（1）刀（dāo）具角度選擇。刀具角度的選擇（zé）關係到數控加工的效率、質量和（hé）成本（běn），以鋁合金材料的刀具為例，在葉片的粗（cū）加工階段，因為金屬去（qù）除量較大，為了提高切削效率，可以選擇前角和後角都較小的刀具。如果切（qiē）削速度和進給精度都能夠保證，適當增加前角可（kě）以（yǐ）減少加工成本。在葉片半精（jīng）加工和精加工階段，適當增加前角和後角，可以減少加工（gōng）中的形變，以提升葉片表麵的加工精度。在（zài）選（xuǎn）擇螺旋角時（shí），因為後刀麵切削刃有一定的角度，在切削（xuē）的過（guò）程中會（huì）產生較大（dà）的切屑層。為了減少（shǎo）切屑對葉片表麵（miàn）加工精度的影響，在粗加工（gōng）時選擇較（jiào）小的螺旋角，以便切屑的排（pái）出，在半精和（hé）精（jīng）加（jiā）工時可（kě）選擇較大的螺旋角 [5]。

（2）刀具刃數選擇。銑（xǐ）刀的刃（rèn）數不同，用途也不同，每種（zhǒng）刃數的銑刀（dāo）都有各自的優（yōu）缺點，因此要根（gēn）據加工工件的結構特征、不同階段選擇適（shì）宜的刀具。在葉片（piàn）的粗加工階（jiē）段，有較大的金屬去除（chú）量，一般會選（xuǎn）用兩刃（rèn）類型的刀具（jù），有（yǒu）較大的容屑空間，也易排出切屑。在葉片半（bàn）精和精加工階段，對加（jiā）工精度有較高要求，一般會（huì）選（xuǎn）用四刃類型的刀具，具有較好的（de）剛（gāng）性，工件的表麵光潔度也較好（hǎo）。

4、結束語

為了（le）保證（zhèng）葉片（piàn）零件的使用（yòng）性（xìng）能（néng）、加工效率和加工精度，要根據（jù）葉片零件的結構、功能、加（jiā）工工藝等特（tè）點，總結出加工葉片零件所需數控銑削刀具的種類、材料和結構。根據具體的加（jiā）工需求，對刀具的形狀（zhuàng）、幾何尺寸、結構特征進行選擇（zé），最終優選出與葉片零件匹配的最佳刀具，以確保葉片（piàn）零件加工效率和質量。

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