多軸擺線銑在整體葉盤(pán)粗加工中的應(yīng)用

■沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 （遼寧　110043） 朱 麗 侯 波 汪　歡 王梁丞

多軸擺線銑在整體葉盤(pán)粗加工中的應(yīng)用

■沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 （遼寧110043） 朱 麗 侯 波 汪歡 王梁丞

摘要：本文主要針對(duì)高溫合金難加工材料中小型整體葉盤(pán)的粗加工過(guò)程，如何采用多種擺線銑方式進(jìn)行粗開(kāi)槽加工，闡明了擺線銑方案和其他加工方案的不同之處及其優(yōu)勢(shì)，并對(duì)多軸擺線銑編程方式加工特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，為難加工材料的中小型整體葉盤(pán)加工提供了一種有效方法。

整體葉盤(pán)作為高推重比為特征的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，技術(shù)要求更加嚴(yán)格；其制造技術(shù)既是先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，也是當(dāng)今機(jī)械制造中的尖端技術(shù)，涉及到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的三維造型、模擬仿真加工、高速高效數(shù)控加工、三維曲面測(cè)量及毛坯制造等先進(jìn)技術(shù)。

目前，整體葉盤(pán)主要采用數(shù)控銑削方式進(jìn)行加工，從毛坯到成品的加工過(guò)程中，約有 90%的材料被去除，其絕大部分在葉盤(pán)粗開(kāi)階段完成，且整體葉盤(pán)材料多為高溫合金、鈦合金等難切削材料，其流道窄、刀具可達(dá)性差，導(dǎo)致刀具成本極高。尤其是小型整體葉盤(pán)（直徑600mm以下），加工中，刀具長(zhǎng)徑比（刀具懸伸長(zhǎng)度/刀具直徑）大，壽命短這一問(wèn)題尤為突出。如何有效地解決效率與成本的關(guān)系，是中小型葉盤(pán)在粗加工中的重要問(wèn)題。本文通過(guò) MAXPAC 軟件的U形導(dǎo)軌功能獲得多軸擺線銑軌跡，及選取合理的刀具類(lèi)型及參數(shù)，為中小型難加工材料整體葉盤(pán)的粗開(kāi)槽提供一種可靠的加工方法。

1. 中小型整體葉盤(pán)的粗開(kāi)槽數(shù)控銑加工方案分析

中小型整體葉盤(pán)一般直徑小于600mm，葉盤(pán)間距小（僅 10～14mm），可選用刀具直徑 12～18mm，刀具直徑比可達(dá)5以上，當(dāng)材料為高溫合金難加工材料時(shí)，數(shù)控銑加工開(kāi)槽是一件困難的事情，刀具成本極高。

因此，選擇合理的銑削方案是關(guān)鍵。通常整體葉盤(pán)的粗銑方案有插銑、等高線銑削（層銑）、擺線銑削、高進(jìn)給銑削、鉆削+光整等。由于刀具直徑小，多為整體硬質(zhì)合金刀具，上述方案的優(yōu)劣也顯現(xiàn)出來(lái)。如附表所示。

銑削方案對(duì)比

當(dāng)整體葉盤(pán)加工可使用刀具小于 12mm，材料為高溫合金等難加工材料時(shí)，由于刀具直徑小，剛性差，層銑時(shí)刀具受徑向力大，切每層中均有滿刀切削，再因整體葉盤(pán)的粗開(kāi)槽兩側(cè)面是由葉盆、葉背兩個(gè)不同的自由曲面構(gòu)成，導(dǎo)軌的每刀余量均不相同，即刀具時(shí)刻受到的切削力不同，因此，進(jìn)行層銑加工時(shí)，刀

具磨損快，刀具壽命短，當(dāng)懸伸增加時(shí)尤為明顯。選擇插銑時(shí)，由于刀具直徑小，切削槽尺寸有限，插銑的步距有明顯的限制，刀軌數(shù)量增加，空走刀數(shù)量也明顯增加，當(dāng)進(jìn)行小懸伸比區(qū)域加工時(shí)，效率低于層銑。大懸伸比區(qū)域加工時(shí)，刀具的剛性也有所限制，加工效果不如大直徑刀具的插銑。高進(jìn)給銑削可以用伊斯卡的飛碟銑刀進(jìn)行，采用層銑的方式加工，將刀具受到的力方式轉(zhuǎn)換成軸向，加工效率提高，但是對(duì)編程要求高，需要均勻的切深，才能保證加工平穩(wěn)，應(yīng)避免多次的進(jìn)退刀，否則易損傷刀具，影響刀具壽命。

鉆削+光整方式主要由于需要二次光整，切鉆削后余量不均，光整效率低；擺線銑削屬于側(cè)刃加工，通過(guò)圓弧或擺線可有效地獲得薄的切削，通過(guò)切削的厚度控制切削力，獲得平穩(wěn)的加工過(guò)程，從而控制刀具壽命，雖然理論去除材料率比層銑低，但是平穩(wěn)的加工過(guò)程十分適合加工高溫合金材料的整體葉盤(pán)。

2. 多軸擺線銑加工方案

（1）擺線銑的編程：目前，整體葉盤(pán)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控程序編程軟件主要有 MAXPAC、PowerMill、UG、CATIA 等一系列國(guó)外軟件，均具有涵蓋五軸聯(lián)動(dòng)加工路徑規(guī)劃的功能，并在實(shí)際加工中得到廣泛的應(yīng)用，并提供擺線銑加工方式。以UG軟件提供的擺線銑方式為例，主要應(yīng)用于型腔的粗開(kāi)，并且以規(guī)則的圓形導(dǎo)軌為主進(jìn)行切削加工，該編程方式屬于3軸加工，可進(jìn)行+1，3+2方式加工。當(dāng)進(jìn)行整體葉盤(pán)粗開(kāi)槽編程時(shí)，需要根據(jù)葉型扭轉(zhuǎn)和曲率，手工調(diào)整刀軸的方向，獲得導(dǎo)軌。由于葉型所構(gòu)成的腔體并不是完全敞開(kāi)，且流道寬度不是恒定的，葉型留有殘余需要通過(guò)光整使葉型余量均勻。

為了解決擺線銑后的二次光整問(wèn)題，能夠通過(guò)擺線銑方式直接將葉型加工到位，可以利用整體葉盤(pán)編程軟件MAXPAC實(shí)現(xiàn)。通過(guò)利用U形導(dǎo)軌的編程方式，設(shè)置合適的步距及退回距離，并在轉(zhuǎn)角處增加大小適中的R，可以獲得理想的葉型粗糙度。該種擺線銑導(dǎo)軌為非規(guī)整的長(zhǎng)方形導(dǎo)軌（帶轉(zhuǎn)角R），可以均勻地加工出葉深型面，無(wú)需進(jìn)行光整加工。該種編程方式可以獲得聯(lián)動(dòng)加工導(dǎo)軌，極大地提高了刀具的可達(dá)性。

（2）擺線銑加工參數(shù)選擇：擺線銑加工過(guò)程主要由刀具的側(cè)刃實(shí)現(xiàn)主要切削作用，承受徑向力。徑向力取決于切削的厚度，切削的厚度主要取決于切深、切寬及每齒進(jìn)給量。在選擇加工參數(shù)時(shí)，需要考慮在滿足刀具足夠剛性時(shí)，應(yīng)選擇大切削的銑刀。

在編程參數(shù)設(shè)定時(shí)，可以先充分利用刀具切削刃長(zhǎng)度，同時(shí)匹配合適的切寬，二者匹配后，通過(guò)竟給的調(diào)整可以得到相對(duì)合適的加工過(guò)程。編程中合適的步距決定了刀具的切寬，也決定了空刀的長(zhǎng)度。這樣需要綜合考慮才能獲得高的加工效率。

（3）多軸擺線銑的聯(lián)動(dòng)方式選擇：該種擺線銑編程可以滿足五軸聯(lián)動(dòng)、四軸聯(lián)動(dòng)及3+2等固定軸加工方式需求，但是由于整體葉盤(pán)中都是采用擺線銑進(jìn)行粗加工，主要從加工效率方面考慮，在保證良好的加工余量和合理的刀具壽命前提下，采用多軸的加工方式，如果條件允許，應(yīng)盡量選擇固定軸方式（3+2方式），使整個(gè)加工系統(tǒng)獲得良好的剛性，提高加工效率。

如果需要四軸或五軸聯(lián)動(dòng)才能完成，應(yīng)盡可能選用四軸，或允許部分葉型位置不均，同時(shí)減少切削厚度，以減弱因刀軸變化而產(chǎn)生的切削變化。

3. 結(jié)語(yǔ)

多軸擺線銑是一種穩(wěn)定的加工過(guò)程，能保證切削的均勻，可以有效地提高刀具的壽命。在中小型難加工材料整體葉盤(pán)的粗開(kāi)槽加工中，多軸擺線銑加工可以克服葉型流道的不規(guī)則，又避免了二次光整加工，使刀具自始至終保持良好的加工狀態(tài)及高的壽命，是一種可靠的加工方法。

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收稿日期：（20150417）