大型鈦合金風扇（shàn）葉片型麵數控加工技術的發展應用（yòng）
2013-5-13 來源： 作者（zhě）：
大型鈦合金風扇葉片型麵數控銑加工要（yào）點
按照葉片型麵總體工藝思路（lù）要求，葉片型麵的銑削加工要保證型（xíng）麵的（de）幾何位置精度基本達到設計要求水平，並具有一定的表（biǎo）麵粗糙度質（zhì）量，同時加工中效率的提高也是型麵銑削的重點工作之一。依據對大型（xíng）鈦（tài）合金風扇葉片型（xíng）麵加工特點的了解，需要綜合考慮設備、刀具、加工（gōng）定（dìng）位（wèi）等多（duō）方麵因素的影響。
對於（yú）大型（xíng）鈦合金風扇葉片型麵的銑削加工，選擇（zé）五軸（zhóu）聯動加工中心（xīn）是（shì）非常必要的。選（xuǎn）擇成熟的五軸聯動葉片加工中心既（jì）有高效加工方麵的考慮，也有加工精度保（bǎo）證能力方麵的考慮。對於曲率（lǜ）變化較大的型麵加工，機床主（zhǔ）軸的擺角功能能（néng）夠很好地適應型麵曲率變化所對應的切削（xuē）受力（lì）一致（zhì）的要求，機床高壓冷（lěng）卻係統使切削（xuē）溫度大幅度降（jiàng）低，避免刀具快速磨損（sǔn），使型麵加工獲得良好的加工精度和表麵加工質量。
為了防止和減小長葉片裝夾和切削加工中產生的扭轉變形，要保證（zhèng）設備前後端裝夾葉片的回轉軸具有同步回轉功能，其目的是改（gǎi）變傳統葉片（piàn）加工工藝（yì）使用的一端夾緊、一端頂緊（jǐn）的定（dìng）位裝夾方式，避免葉片裝夾（jiá）時產生（shēng）的彎曲（qǔ）變形和葉（yè）片回轉加工時一端轉動、一端隨（suí）動而使（shǐ）葉片型麵在長度方向產生的扭轉變形。適應於葉片定位裝夾的該項要求，葉片（piàn）尾端（duān）輔助定位部分，相對於前端的榫頭定位（wèi）基準要具有嚴格的位置精度要求，在型麵粗加（jiā）工完成後，對於因應力變形而產生的葉片（piàn）前後端定位基準之間（jiān）的位置（zhì）精度誤（wù）差，要給予修（xiū）複。葉片（piàn）型麵加工用夾具，在安裝到機床前後兩端回轉軸上後，在確定機床前後兩端回轉軸不存在同心度誤差的情況（kuàng）下，利用專用芯（xīn）軸對前後夾（jiá）具的安裝精度進行檢（jiǎn）測調整，保證兩（liǎng）端夾具具有準確的位置精度關（guān）係（xì），以免機床（chuáng）前後回轉軸的同步回轉功能因夾具裝夾精度（dù）差而產生額外扭轉應力。
葉片型麵的粗銑加工，是為了去除較大的餘（yú）量，並為精加工留均勻的加工餘量，在此前提下，該工（gōng）序的（de）加工應（yīng）該保證具有高的加工效率。五軸（zhóu）聯動葉片加工中心，具（jù）有寬（kuān）行加工功能（néng），其原理是，在銑削葉片時（shí），刀具中心（xīn）線不垂直於被銑點或麵的切線，而是在走刀（dāo）方向上與被銑點（diǎn）或麵的法向成一定的角度，這種銑削采用的是圓柱型立銑刀，銑削軌跡是較寬的橢圓型（xíng）弧線，與球頭刀的銑削相比，對於銑削出同樣的型麵波峰（fēng）高度或表（biǎo）麵質量而言，生成的（de）刀具路徑（jìng）的間距要（yào）大很多（duō）。因此，這種加工具有很高的加工（gōng）效率。在實際加工中，采用在葉片長度上從一端向另一端移（yí）動的回轉加工（gōng）方式，即螺（luó）旋銑削方式，從效率（lǜ）角度（dù）上看（kàn），螺旋銑削方式相對（duì）於縱向銑（xǐ）削方式（shì）也具有更高的加工效率。
葉片型麵的精銑加工是為了獲得較高的幾何與位置精度，同時使型麵的粗（cū）糙（cāo）度水平達到一定的要求。為了降（jiàng）低鈦（tài）合金材料加工產生的“回彈”影響和大（dà）麵積（jī）型麵加工（gōng）時刀具磨損對加工精度的影響（xiǎng），刀具必須保證鋒利，並避免（miǎn）一（yī）把（bǎ）刀具的長時間加工。為（wéi）此，在可能的情況下，盡量（liàng）使用端銑刀進行（háng）型麵的縱向銑削加工。縱向銑削加工可以分（fèn）別使用幾把刀具進行葉背型麵（miàn）、葉盆型麵、進氣邊緣、排氣邊緣的銑削，避免一把刀具（jù）大麵積（jī）加工造成的（de）磨損使葉片各處型麵加工精度水平產生不一致現象，有利於型麵最終光精加（jiā）工的進行。
在大（dà）型（xíng）鈦（tài）合金風扇轉子葉片型麵銑削加工時，為了改善切（qiē）削條件（jiàn），所有避免刀（dāo）具磨損的措施都是必要的。在刀具材料、規格形式的選用方麵，選擇整體硬質合金帶塗層的圓柱（zhù）球型（xíng）銑刀（dāo）加工（gōng）葉片緣（yuán）板內側麵、緣板內側麵與型麵轉接圓弧、靠（kào）近緣板的過渡型麵、進排（pái）氣邊緣部位，選擇圓柱鑲硬質合金帶塗層刀片的端銑（xǐ）刀加工葉片葉盆和葉背大麵積的型麵表麵。加工鈦合（hé）金刀具的（de）塗層材料選（xuǎn）擇非常重（chóng）要，要避免（miǎn）使用與鈦合金具有親和性的塗層材料（liào）。目前加（jiā）工鈦合金（jīn）常用PVD 塗層刀具，PVD 塗層較薄而（ér）且光滑，它們附著在刀具硬質合金基體上的同時（shí）還會產生一種殘餘應力，這種應力有利（lì）於提高（gāo）刀具（jù）的抗破壞性能，PVD 能（néng）夠緊密地（dì）貼於刀具上，有利（lì）於保持鋒利的切削刃外形，PVD 刀具（jù）抗磨性（xìng）好，化學性（xìng）質穩定，不易（yì）產生積屑瘤（liú）。加工中，要使用充足的冷卻液對刀具進行冷（lěng）卻和改善摩擦（cā）影響，選擇合理的切削加工參數，改善切削力影響（xiǎng）等。
大型鈦合金風（fēng）扇葉片型（xíng）麵數控光精加工特點
葉（yè）片型麵光精加工是為了保證型麵粗糙度、波紋度滿足設計要求、材料組織性能不產生變化（huà），並且加工中要（yào）保（bǎo）證（zhèng）銑加工所獲得的幾何尺（chǐ）寸和位置精度基本沒有大的（de）改（gǎi）變。對於實際加工（gōng）而言，葉片型麵精加工是在（zài）去除銑加工存留刀痕的基礎上，達到所要求的粗糙度、波紋度（dù）。型麵每處的單麵金屬去（qù）除量不應大於0.05mm。
目前，利（lì）用數控砂（shā）帶磨拋機床進行葉片型麵（miàn）光精加工的方（fāng）式，是（shì）實際加工應用較為成熟的方法，而利用數控金剛石磨輪磨削（xuē）機床進行葉片型麵光精加工的方（fāng）式，是正在嚐試應用（yòng）的一種方法。這些加工方式之所以（yǐ）被選擇應用是因為它們各具特（tè）點。
首先，對於（yú）數控砂帶磨拋機床加工方法而言，其具有以下特點：(1)砂（shā）帶磨（mó）削磨粒銳利，磨削效率（lǜ）高，已達到（dào）銑削的10 倍、普通砂輪磨削的5 倍;(2) 砂帶磨削與工件摩擦較小，磨削生熱少，砂帶周（zhōu）長較大，磨粒散熱時間間隔長（zhǎng），容易（yì）獲得空氣和切削液的（de）完全冷卻，可有效減少工件變形、避免燒傷和燒蝕;(3)砂帶本身（shēn）的柔軟性和（hé）工作輪表麵的橡膠體結構，保證砂帶磨削與工件柔性（xìng）接觸，具有較好的跑合和拋光作用;(4)砂帶磨削有穩定的磨（mó）具尺寸，由於砂帶依附於工作輪上進行磨削，磨具尺寸有（yǒu）較好的穩定性;(5)砂（shā）帶磨削不能進（jìn）行大（dà）餘量去除的長時間加工，砂帶含有的磨料總量有限，大餘量去除的長時間加工會使磨（mó）料迅速消（xiāo）耗掉，需要中斷（duàn）加工進行砂帶更換。
砂帶（dài）磨削的上述特點（diǎn）使大型鈦合金風扇葉片型麵拋（pāo）光實現程序（xù）控製條件下的機械（xiè）化生產成為現實。目前，用於（yú）葉片拋光的數控砂帶磨削方式，有2 種方法可供選（xuǎn）擇應用：一種是使用六軸數控砂帶磨拋機床進行加工，另一種是使用機（jī）器人數控砂帶拋光係統進行（háng）加工（gōng）。
六軸數（shù）控砂帶磨拋機床的運動功能類似於銑削時的五軸數控加工中心，砂帶磨削工作輪與端銑刀加工所具有的結（jié）構差異使其（qí）在（zài）型麵加（jiā）工適應（yīng）葉片結構方麵（miàn），必須具有2 個方向的擺角功（gōng）能（néng）。
六軸數控砂帶磨拋（pāo）機床具有（yǒu）型麵磨削和拋光的雙重功能，功能變換取決於動力頭在剛性磨削（xuē）和浮動磨（mó）削形式的（de）變換。拋光加工時，啟動恒（héng）壓浮動機構，能夠使磨削正向（xiàng）壓力的變化通過壓力傳感器、磨削功率傳感器、恒（héng）壓氣缸（gāng）等機構進行精確控製，適應每件葉片型麵尺（chǐ）寸一定範圍的差異，實現（xiàn）不破壞型麵精度（dù）條件下的拋（pāo）磨（mó）加工。在進行型麵磨削加工時（shí），鎖住接觸輪浮動機（jī）構，可以進行型麵的（de）剛性磨削加工。型麵的剛性磨削加工，可以在型麵的精銑加工（gōng）精度（dù）能力差的情況下，起到補充或代替的作（zuò）用，其（qí）使用的砂帶粒度應根據餘量情況進行變換，這（zhè）種（zhǒng）加（jiā）工會改（gǎi）變原有的尺寸位置精度，並且相（xiàng）對於銑削加工，其過大的餘量去除會產生較大的應力變形。因此，在銑加（jiā）工具有精度保證能力的前提下，不推薦使用磨削功能。
機器人數控（kòng）砂帶拋光（guāng）方法，是由（yóu）機器人拿持葉片在程序控製（zhì）下作複合運動，在固定的砂帶（dài）機上進（jìn）行拋光加工（gōng）。其加工利用了逆向工程技術，加工前，機器人（rén）拿持（chí）葉片榫頭部位（wèi）進行葉片型麵輪（lún）廓（kuò）尺寸的掃描檢測，然後數據處理機構生成加工控製程序，最（zuì）終在程序（xù）控製下實現葉片（piàn）的拋光加工。目前，機器人砂帶磨削方（fāng）法，因受到運動精度限製，一般（bān）隻作為型麵拋光加工的手（shǒu）段。
數控金剛石磨（mó）輪磨削方法屬於典型的硬剛性磨削，其使用的機床運動機構基本與五軸聯動（dòng）葉片銑削加工中心相同，而使用的切削工具是將立式（shì）銑刀改變為（wéi）表麵噴塗上金鋼石粉的（de）圓柱磨（mó）輪。磨削（xuē）加工時，利用了寬行加工技術。該種加工（gōng）方式是硬剛性（xìng）磨削，由於金鋼石磨輪（lún）本身（shēn）透氣性差，不能通過容留、交換冷卻液介（jiè）質達（dá）到散熱的效（xiào）果，因（yīn）此不適合對零（líng）件表麵進行（háng）較大餘量（liàng）去除的磨削，而且即使是去除小餘量的加工（gōng），對於鈦合金材料葉片型（xíng）麵的磨（mó）削也易產生燒傷現象（xiàng），因此在利用該種方法進行鈦合金（jīn）葉片型麵加工時，必須摸索選（xuǎn）擇非常適（shì）合的切削參數，機床冷卻方式必須非常有效。另（lìng）外，金剛石磨（mó）輪對型麵加工時的硬剛性磨削性質，也（yě）存在一定的接刀“棱線”，盡（jìn）管可以通過程序與磨輪規格的匹配性（xìng）調整對其進行改善（shàn），但不能達（dá）到完全去除，對於葉片疲勞性能（néng）的影響（xiǎng）是不利的，因（yīn）此必須采取輔助措施（shī）進（jìn）行消除表麵“棱線（xiàn）”的補（bǔ）充加工，還可能需要使用（yòng）數控砂帶磨拋機床進行相應程序控製下的補充加工。另外，使用自由磨（mó）料性質的（de）濕吹砂方法進行補充加工也應（yīng）該是可行的方法。由於數控金剛石磨輪磨削方法的上（shàng）述特點，其加工應用還在摸索階段。
目（mù）前，數控砂帶磨拋機床方法因其多方麵的優勢特點，正在（zài）成為大型（xíng）葉片型麵拋光加工最為適宜的方法（fǎ），其綜（zōng）合（hé）性的優勢特點還在於既可以進行幹磨削也可以進（jìn）行濕磨削，還可以進行CO2冷卻方式下的超低溫磨削，這對於避免大型（xíng）鈦合金（jīn）材料葉片型麵拋光產生燒傷、燒蝕（shí）非常有（yǒu）利。數控磨（mó）拋機床的應用，改變了大型（xíng）葉（yè）片型麵手（shǒu）工拋光勞動強度大的狀況，對於大型（xíng）葉片生產效率提高（gāo）發揮了重要作用。
結束語
多軸聯動加工（gōng）技術的發展應用，使大型發動機（jī）風扇（shàn）葉片型麵加（jiā）工這一關鍵加工環節在精度和質量保證能力方麵（miàn）有了很大的提高，加工效率方麵也獲得了滿意的效果，相信隨著工藝設備技（jì）術的不斷研究改進，大型風扇葉片型麵加工技術會朝著機械化、自動化方向發展。
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