摘要: 航天技術的競爭愈演愈烈，製造業作為國民經濟的基礎力量，是（shì）國際間競爭的關鍵（jiàn）性因（yīn）素（sù）。葉片是飛行（háng）器發動機的重要組成部分，需具有高（gāo）的（de）精度和加工質（zhì）量。文章以五軸聯動葉片加工中心為例，對其結構構件進（jìn）行了動態（tài）特性分析（xī），並對（duì）薄弱環節進（jìn）行了優化設計。最後（hòu）通（tōng）過優化（huà）前後結（jié）果對比分析，驗證了優化的合理性和可行性，為今後的設（shè）計提供了一定的參考。
 
       關鍵（jiàn）詞: 葉（yè）片; 加工中心; 動（dòng）態特（tè）性; 優化設計
 
        0 引言
 
       科（kē）學技術飛速發展，航空製造領域的先進（jìn）性成為了影（yǐng）響國家（jiā）國際地（dì）位的又一重要標誌。航空（kōng）發動（dòng）機的葉片屬於高、精、尖產品，多年來高精度和高（gāo）表麵質量（liàng）的自由曲麵零件的加工一直是製造業的難點。目（mù）前，國內、外對葉片製造進行了大量的研究，主要包括以下三個方麵: ①運用計算機分析手段（duàn）對葉片進行多學科優化設計［1-4］; ②優化葉片生產過程的加工工藝，選取適當加工參數和加工方法; ③提（tí）高葉片製造（zào）設備的性能，保證其加工質量。其中，提高製造裝備研究的主（zhǔ）要手段之一就是機床動態特性研（yán）究（jiū）。本文即從改善製造（zào）裝備入手，通過應用計算機輔助軟件對（duì）某單位自主研發的航空（kōng）發動機葉片專用（yòng）生（shēng）產設備的主要結構進行分析和優化來提高機床（chuáng）的動態特性，改善葉片加工質量（liàng）。驗證合（hé）理的優化設計，不但提高了本台機床的性能，為今後（hòu）機床結構的（de）設計尤其是主要受力（lì）部位設計（jì）也提供了一定的參考。
 
       1 、機床設計
 
       研（yán）究發現，產品的製造成本超過 70% 是在設計階（jiē）段被決定的，但設計階段的成（chéng）本僅占整個開發階段的6% ，由此可見設（shè）計階段對產品的發展十分重要［5］。機（jī）床是製造業（yè）的基本（běn）裝備，其設計可以劃分（fèn）為產品規劃、方案設計、技術設計和工藝設計四個階段。傳統的（de）設計方法（fǎ）在功能、周期及（jí）成本方麵已經無法滿足新的需求（qiú）。現代設計理論采用先進（jìn）的 CAD/CAE 技術，結合有限元對產品進行分析、優化（huà），省去（qù）了產品樣機反複試製、測（cè）試及改進過程，提高產（chǎn）品的動態性能的同時，有效縮短了設計（jì）周期，實現了企業低成本快速響應（yīng）市場、產（chǎn）品批量化生產及大規模生產條件下的個性化需求［6］。
 
      2 、葉片加工中心（xīn）設計（jì）
 
      葉片是發動機（jī）結構及功能實現的主要組成部件，其形狀、強度（dù）以及抗熱疲勞等性能決定了發動機的工作效率和使（shǐ）用壽命。五軸（zhóu）聯動加工中心（xīn）是目前更高（gāo）效、高精的數控加工設備，被廣泛應用於複雜曲麵的高效、精密、自動化加工，特別（bié）是在解決葉輪、葉片等方（fāng）麵具有獨特的優勢［7］。
 
      2． 1 葉片加工特點及設計要求
 
      應用環境的特殊需求使得發動機葉片（piàn）一般設計的比較薄，本文加工中（zhōng）心生產的葉片，長約 26． 5mm，寬約（yuē） 28． 8mm，前後緣轉接 Ｒ0． 1 ～ 0． 3，輪（lún）廓度（dù） Ｒ0． 05 ～0． 08，結構如圖（tú） 1 所示。葉片的（de）表麵為（wéi）自由曲麵，采用數控銑削方（fāng）法加工時容易產生較大的加工（gōng）變形（xíng）［8］。為滿足發動機高耐熱性、高強度的使用要求，本文加工的葉片即采（cǎi）用性能較好的（de）高溫鎳基合金材料 GH4169，其加工需要的（de）切削力大，導致切削溫度較高，易造成切屑與刀具粘連（lián）以及機械的磨損，因（yīn）此，對加（jiā）工機床的性能提出了更高的要求（qiú）。
 

        圖（tú） 1  葉片
 
      2． 2 葉片（piàn）加工中心尺寸及參數設計
 
      根據本文葉片（piàn）的結構特點，國內某單位研製（zhì）開發了葉片專（zhuān）用五（wǔ）軸聯動加工中心如圖 2 所示。該加工中心能夠實現 X、Y、Z 軸及 A、C 軸聯動，X、Y、Z 軸直線移動距離分別為 300 mm、250 mm、300 mm，主軸最高轉速可（kě）達 24000 r/min，移動部件盡量采（cǎi）用方形框架（jià）結構，整體采用對稱結構，穩定性較（jiào）高。 
  

     
  
         圖 2 葉片加工中心示（shì）意圖
   
      3 、葉片加工中心結構分析
 
      在高速切削加工過程中，機床各結構（gòu）部件的動態性能將直（zhí）接影響機床的精度、抗振性能、切削效率以及壽命［9］，從而影響到零（líng）件表麵成形運（yùn）動軌跡的準確性（xìng）。因此，對加工（gōng）中心重要構件的動、靜態（tài）特（tè）性進行了分析。
 
      3． 1 床身動態特性分（fèn）析及優化
   
      3． 1． 1 床身模型簡化與處理
 
      使用（yòng）三（sān）維軟件進（jìn）行模型簡化，例如刪除小孔、倒角和圓角（jiǎo）等特征，對小曲率、小（xiǎo）錐度的直（zhí）線和平麵進行處理等。該（gāi）床（chuáng）身與地麵間通過 M16 的地腳螺栓連接，采用線性彈簧-阻尼單元法進行（háng）建模。根據（jù）張學良［10］建立的數學模型對螺栓結合麵剛度特性進行識別、計算，將結合麵特性簡化（huà）為一組（zǔ）空間彈簧-阻尼單元。文獻［11］中提出結合麵剛（gāng）度參數識別經驗公式為:

     
       
  
      3． 1． 2 床身動態（tài）特性及靜力（lì）分析
   
      床身前（qián） 3 階模態固有頻率與振型描（miáo）述如表 1 述（shù），各階振（zhèn）型如圖 3 所示。靜力分析結果如圖 4 所示，中間部位凹陷明顯，最大變形量為 9． 34 μm。
 
                      表 1 床身前 3 階固有頻（pín）率及振型
  
     
  

     
  
                                   圖3 前三階模態振型圖
 
 

                      圖（tú） 4 靜（jìng）力分析結果

      3． 1． 3 床身模型優化及改進結果
 
      分析仿真（zhēn）結果可知，在低階時，床身出現整體移動、變形，靜力分析顯示變形部位較為集中、變形量大，且（qiě）為實際加工中的重（chóng）要（yào）承載位置。因此，需對（duì）模型進行優化以提高（gāo）其穩定性。為盡量避免增加（jiā）工藝的複（fù）雜性（xìng），采（cǎi）取的主要措施為加大床身底麵的支撐麵積，同時針對靜力變形較大的主要承載部位，對其床身底部對應位置（zhì）的回型（xíng）筋板進行填充和加固處理。優化前後模型對（duì）比如圖 5。
 

                          圖 5 優化前後（hòu）模型對比
   
      優化（huà）後（hòu）的模（mó）型模態分析結果與優化前對比如表 2所示，各階固有頻率均有（yǒu）較大提高，且相近固有頻率下床身（shēn）的變形情（qíng）況改善明顯，振型圖如圖 6 所示。靜力分析（xī）結果如圖 7 所示，最大變形量為 5． 74 μm，與優化前相比，變形（xíng）量減少約 4 μm。

                   表 2 床身模型優化前、後（hòu）前三階結果對比
  
     
     

                                    圖6 模型優化後前三階（jiē）模態振型圖
  
  

     
           圖 7 模型優化後的靜力（lì）分析結果
   
      3． 2 X 軸導向滑座動態特性分析及優化
 
      3． 2． 1 X 軸導向滑座模型簡化（huà）與處理

       
  
      3． 2． 2 X 軸導向滑座動態特性及靜力分（fèn）析
 
      結合 X 軸導向滑座在機（jī）床整體布局中的（de）受力特點，重點分析其在 X 方向的振型及受（shòu）力變形情況。前3 階模態固有頻（pín）率與振型描（miáo）述如表 3 所述，各階振型如圖 8 所示。靜力分析（xī）結果如圖 9 所示，最（zuì）大（dà）變形（xíng）量為 11． 6 μm，前（qián）側主要受（shòu）力部位變形明顯。
 
                   表 3 X 軸導向滑座前 3 階（jiē）固有頻率及振（zhèn）型
  
     
      

      
                             圖 8 模型優化後前三階模態振型圖
  

                         
  
                                      圖 9 靜力分析結果
 
   
        3． 2． 3 模型優（yōu）化及改進結果
 

      分析結果可（kě）知，低（dī）階 X 軸導向（xiàng）滑座前側變形（xíng）量較大，會嚴（yán）重影響（xiǎng）刀具的位置精度。觀察（chá）其機構可知，X軸滑座的前側中間（jiān）位（wèi）置設計了一段凹槽，如圖 9 中棕色變（biàn）形位置中間。結合加工中心整體布局及各部件運動要求，發（fā）現此段凹槽並無特殊工藝要（yào）求，且（qiě）考慮到處為承受 X 軸滑座及主軸重量的主要部位，應具有足夠的強度，盡量減少變形。因此，設計優化時對凹（āo）槽位（wèi）置進行了填補，模型對比如圖 10。
  

      
  
                          圖（tú） 10 優化前後（hòu）模型對比
 
      對優化後的（de）模型進（jìn）行了分析，其模（mó）態分析結果與優化前對比如表 4 所示，各階固有頻（pín）率均有較（jiào）大提高，且相近固有頻率下床身的變形情況改（gǎi）善明顯，振型（xíng）圖（tú）如圖 11 所示。靜力分析結果如圖 12 所示，最大（dà）變形量（liàng）為 6． 9 μm，與優化前相比（bǐ），減少約 4． 7μm。
 
                  表 4 X 軸導向滑座（zuò）模型優化前、後前三（sān）階結果對比

       
  
                                  圖 11 模型優化後前（qián）三階模（mó）態振型圖
  
                     
  
                            圖（tú） 12 模型優化後的靜（jìng）力分析結果
 
      綜上所述，對床身和 X 軸導向滑座優化後，其固有頻率明顯提高，靜力變形量有所減（jiǎn）少。因此，該實例（lì）的優（yōu）化方案合理（lǐ）可行，達到了（le）改善加工中（zhōng）心剛度、穩定性（xìng）的效果（guǒ），有效提（tí）升了（le）機床整（zhěng）體的（de）加工（gōng）性能。
 
      4、 結束語
 
      航（háng）空發動機應用環境的特殊性決定了航空零件製造以及生產設（shè）備的特（tè）殊性。相比於一般的零件製造，麵向（xiàng）航空應用的零件，其製造（zào）精度要求更嚴格，工藝過程更為複雜，製造設備的剛度及（jí）穩定性要求更高。本（běn）文以葉（yè）片五軸聯動葉片加工中心為例，對其主要結（jié）構進行動態特性及靜力分析，並對（duì）薄弱環節進行了優化。優化前、後結果對比，驗證了優（yōu）化設計的合理性，為之後的設計提（tí）供了一定的參（cān）考（kǎo）。