航空发动机叶片加工

航空发动机叶片加工

<>本文是MasterCAM软件在航空领域的一个应用案例。文章从飞机发动机

叶片的形状特点、加工过程中的难点、加工的具体方案与步骤，以及MasterCAM 软件的多轴铣功能等方面进行了全面的叙述。

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一、概述

<> 飞机发动机的叶片大小不同，形状各异：从尺寸上看，大的叶片有

250×60×10，小的只有30×10×5；从形状上看，带阻风台结构的稍复杂一些，需五轴联动铣削；不带阻风台的，用四轴加工即可。所有叶片都有一个特点：薄，加工时易变形。

<;P> 叶片的毛坯均为合金铸件，加工工序比较复杂，从图纸到成品，一般都要经过40～60个工序。目前，发动机叶片（叶背、叶盆）的加工，大多采用三轴铣削，即在立式铣削中心（带旋转工作台）先铣叶背，然后转180゜，再铣叶盆。进汽边、出汽边以及叶根，在后续的工序中再处理。这种铣削方法装卡次数多，加工效率低，并且加工后叶片变形大，叶片截面形状与原设计有较大误差。<;P> 如果采用四轴联动铣削，一次装卡就可把叶背、叶盆、进出汽边以及叶根同时加工出来，并且加工后的叶片变形也很小。如果走刀路径设计的合理，加工后叶片表面的光洁度高，后续的辅助工序可以取消或减化，进汽边和出汽边也无需再处理。从整体来看，叶片的加工质量和效率都会大为提高。

<;P> 四轴铣削叶片，理想的刀具路径如下：

<;P> (1)四轴铣削叶背、叶盆时，刀具沿轴线螺旋走刀，从一端走到另一端；<;P> (2)再单独铣一次进、出汽边，刀具沿叶片轴线从一端铣到另一端，以保证进、出汽边的形状精度和表面光洁度；

<;P> (3)铣削叶根的过渡面时，确保叶片两端的凸台不受损伤。

<;P>二、叶背、叶盆铣削

<;P> 对于图1所示的叶片，可采用近似于螺旋的走刀路径。刀具相对于叶片绕轴线做旋转运动，同时间断地沿轴线作直线运动，如图1所示。采用这种走刀路径，叶片的变形小，质量可靠；叶背叶盆刀痕匀布，余量均匀，减少了后续打磨、抛光等工序的工作量，可明显地提高叶片的生产效率。并且，编制这种走刀路径，较编制螺旋走刀路径容易得多。

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图1 叶片走刀路径

<;P> 以下详细说明有关计算方法及参数的选择。

<;P> 图2是叶片的俯视图。叶形的长边约220.7mm，短边约175.3mm，叶片高约93.9mm。叶片两端均有台阶，台阶的侧面与叶形的交线跟轴线不垂直，左边夹角约20°，右边约8.6°。

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图2 俯视图

<;P> 四轴联动铣削时，在右端和左端的走刀方向应同台阶的侧面基本平行，铣刀间断地沿轴线向叶片中部铣削时，走刀方向逐渐与轴线垂直，如图2所示。在最左侧，走刀方向与刀轴夹角20°角，铣削到A1_A1截面时，走刀方向与轴线垂直。铣到B1-B1截面后，走刀方向逐渐右斜。在最右端，走刀方向与右侧台阶的侧面方向一致，即与轴线夹角8.6°。

<;P> 设相邻两刀具路径间的距离为d，则从最左端到A1-A1截面的切削次数为N=27.3/d，取d=1.5，则N=18刀，取20刀。相邻两刀的相对转角为：20°/20=1°。<;P> 同样计算右端的刀数：14.5/1.5=9.6取10刀。每刀转角：8.6°/10=0.86°。

<;P> 最大转角计算：切削平面旋转后，各刀具路径不应重叠，条件为：

Qm×W/2≤d，Qm≤2d/W，如图3所示。W=93.9、d=1.5，得Qm≤1.83°。

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图3 刀具路径不重叠条件示意

<;P>三、进、出汽边铣削

<;P> 进出汽边是由多个位于相互平行的平面上、直径为0.65～0.68mm的圆弧构成的直纹曲面。用直径φ6的铣刀铣削时，最好用侧刃铣。可把各圆弧分为5等份，计算6条对应的等参曲线。然后，根据这6条曲线编制四轴程序，使刀具沿着6条曲线运动，且刀轴方向始终与曲面相切。

<;P>四、MasterCAM的多轴铣削功能

<;P> 本零件使用MasterCAM软件造型和编程。MasterCAM的多轴铣削功能非常强劲,有多种四轴、五轴加工方法，用户可最大程度地控制走刀方式（Tool Type）、刀具运动（Tool motion）和刀轴方向（Tool axis），编出高质量的多轴加工程序。这些加工方法包括：五轴钻孔、五轴轮廓铣削、多曲面五轴端铣加工、五轴侧刃铣削（圆柱棒刀或圆锥棒刀）等等。

<;P> MasterCAM还提供有多种选项，控制刀具在走刀进程中的前倾角、后仰角以及左右摆角。通过设置前倾角、后仰角，可改变刀具的受力状况，提高加工的表面质量。通过改变左右摆角，可以避免刀头刀杆与工件的碰撞。五轴精加工时，在零件曲率变化太大的区域内，MasterCAM还可加密刀位点，铣出光滑的表面。本例的仿真结果，如图4所示。

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图4 加工仿真结果

<;P> MasterCAM提供了很多控制刀轴方向的办法，如：

<;P> •用一组直线确定方向。五轴走刀时，刀轴的方向根据这组直线方向的变化而变化。

<;P> •用上下两组曲线控制刀轴方向。

<;P> •用一个封闭的边界，控制刀轴的运动范围，刀轴的方向受限于边界。<;P> •限制刀轴的倾角（A、B、或C ），以防碰撞。

<;P> •用某个固定点控制刀轴方向，使刀具在切削时，其轴线始终通过该点。<;P> MasterCAM的五轴铣削仿真也非常强。可使用任何形状的毛坯，准确模拟加工过程及加工结果，起到所见即所得的作用。有力地保证了数控程序的正确性。<;P> 总之，用MasterCAM设计和加工叶片，快捷方便、安全可靠。