航空喷气发动机叶轮的五轴加工方法及参数的改进与研究
2016-11-22 来源：广东科技学院 作者：叶卫文 赵利平
摘要: 航空工业作为一个国家综合实力的象征,在航空零部件当中，航空喷气发动机是飞机的主要动力部件，而喷气发动机的主件就是叶轮、叶片。航空发动机的制造技术高低已成为一个国家科技实力的标准，所以叶轮、叶片的制造加工技术的研究,对各类型飞机、军事装备、汽车、船只和民用设备等等有着重要的研究价值,并且对经济和国防有着重要的战略意义。
关键词: 叶轮的重点和难点；参数设定；加工实列
一、前言
随着我国经济的发展，机床产业也得到了快速的发展，在高速高精高效化方面也得到了较大的提高，同时也向着无人化方向发展。在制造加工方面，实现高速和多轴化，以减小工序、人为错误等，朝着自动化方向发展，即工件在一台多轴数控机床上实现一次装夹后，通过自动换刀、多轴旋转、自动装夹工件、磨、钻、铣、镗、铰、攻牙等，完成多个制造工艺和复杂曲面的加工（一步到位）。让每一件加工工件成为一件艺术品。
我国目前跟国外多轴数控机床对比，加工制造等水平还有一定的差距.例如:机床的稳定性、刚性、精度、无人化、复合化、多轴及加工工艺等等。在德国，政府非常重视机床工业的发展 ,在多方面都大力支持。特别讲究事实求是,坚持以人为本,师徒合作,不断学习进取,定期开设技术交流会互相学习，互想提高，每当有一些关建和重大的技术难题时，还有专门的机构进行技术研讨会。
二、叶轮、叶片
叶轮、叶片作为航空喷气发动机的重要零部件，五轴联动数控加工中心系统是解决潜艇螺旋桨、飞机发动机叶片、船用螺旋桨、轮船转子、汽车发动机曲轴
等等加工制造的唯一方法。由于叶轮、叶片零部件大多是薄壁叶片型,刚性很差,大多为铝合金材质,通常只有在高转速切削和切削力小的情况下,才能对这些凹型壁进行加工。叶轮表面光滑度要求为Ra=1.6μm，叶片曲面的曲率变化较大，轮廓精度要求达到0.05mm 以内。在叶轮的特殊外型上分析，叶片风道从小变大，非常容易发生刀具与叶片碰撞，需要机床C 轴具有较大的摇摆范围以及合理的参数设置，以有利于刀具在很小的风道空间中避免撞刀。叶片低部间距约8.3mm，圆角R3mm，叶片长度为38mm，为了能快速的削除余量，需要选择合适的刀具进行加工。由于叶片厚度较薄为2mm，最厚的部位也仅3mm，叶片扭曲较大。加工过程中叶片容易发生变型，严重情况下可能出现叶片破损，造成工件加工失败。在加工过程中还要避免刀具高速旋转中产生的振动.
三、叶轮的编程与加工模拟
运用MASTERCAM X6 软件进行摸拟数控机床加工，叶轮在摸拟过程可以提前发现是否加工有错，对加工过程中产生的过切、撞刀、摆动等问题进行优化修改，从而将事故发生率降低至最低，保障机床和人员的安全。最终提高叶片、叶轮的加工成功率和产量。
在MASTERCAM X6 软件的帮助下,先对叶片进行数学建模,并跟据空气动力学原理设计出合理的排风槽。叶片设计完成后进行数控编程,制定出合理的加工工艺：即1.对毛坯进行整体式曲面粗加工挖槽2.对开完粗加工的工件进行平面铣削3.对工件外形进行2D 精加工4.利用叶片专家功能对叶片排风槽进行粗加工5.利用叶片专家功能对叶片进行精加工6.最利用叶片专家功能对叶片根部进行精加工并且在叶片之间留0.02MM 余量，防止碰伤叶片7.在数控机床工作台上安装好毛坯并且设置好毛坯零点8.根据编写好的程序安装加工刀具9.所用的刀具必须注意安装长度是否跟程序一致10.利用MASTERCAM X6 进行最后仿真切削,确认无误11.通过后处理出数控机床运行的程序并输入数控系统。进行叶片、叶轮的加工。
O0001 ( PROGRAM - 叶片加工 )
N110 ( DATE - 11-04-16 TIME - 22:33 )
N120 G21
N130 G0 G17 G40 G49 G80 G90
N140 G0 G28 G91 Z0.
N150 ( TOOL - 3 DIA. OFF. - 0 LEN. - 0 DIA. - 10. )
N160 T3 M6
N170 G0 G54 G90 X-1.476 Y14.056 C-64.525 A-70. S10000 M3
N180 G43 H0 Z48.07
N190 Z35.004
略...................
四、实际加工过程和结果
在实际的加工过程中发现如下几个问题。刀具极容易与工作台发生碰撞，故在编程上限定C 轴工作范围为正负80°，以保证机床与工件之间的安全。计算公差对叶轮的表面光洁度有着明显的变化，如公差范围在0.03mm 以上的，表面光洁度明显变差。由于叶片的厚度比较溥，参数取用高转速较低的进给速度，以保正叶片不变型。叶轮的加工时间大约为1 小时完成。利用MASTERCAM X6 进行摸拟五轴联动数控机床加工,后处理出数控加工程序，对叶轮进行了实际的试切加工,并最终完成了叶轮、叶片的加工具有一定的指导和研究价值。
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