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摘要：发动机是航空设备的重要组成构件之一，其零部件数控加工技术直接关系到航空行业的发展。本文对航空发动机典型零部件数控加工技术展开了探讨，详细介绍了五轴数控加工技术，并提出了相应的应用策略。
关键词：典型零部件；数控加工；加工技术
0 引言
随着我国科学技术水平的提高以及综合国力的增强，我国的航空行业取得了迅猛的发展，航空制造业也在不断进步。在航空制造业中，航空发动机作为航空设备的核心部件，其典型零部件的加工技术越来越受重视。由于航空发动机零部件对加工技术要求较高，对航空发动机典型零部件数控加工技术展开研究具有十分重要的意义。
1 五轴数控加工刀具优化工艺研究
整体叶轮精铣刀具的选择，仅局限在对刀具直径、齿数、锥度和总长四方面的要求，缺乏对刀具螺旋角、前角等影响加工质量和效率的参数的考虑，成为制约叶轮制造能力提升的因素之一。
通过统计整体叶轮加工刀具在现场加工中的经验数据，对反映的问题进行系统分析，与刀具制造商紧密协作分析查找影响加工质量、效率和刀具使用寿命的原因，通过优化刀具几何参数、涂层等方法，实现提高产品质量和加工效率的目标。
对加工整体叶轮加工刀具的刀柄进行优化，采用小长径比、热胀刀柄和小直径整体硬质合金铣刀相结合的方案，进行整体叶轮的精铣加工，以及提髙加工刀具系统的整体刚性，减少因采用大直径铣刀精铣叶身型面带来的让刀，提高叶片表面质量，降低零件的制造成本。
优化后的加工刀具与完善后的叶片铣削策略相结合，以实现加工效率和表面质量两项指标的综合最优为目标，对现用非标锥度球头铣刀的螺旋角、前角及刀具齿数等结构参数与加工过程中所采用的每齿进给量、主轴转速及切削线速度等切削参数进行正交试验，以确定优异的叶型精铣加工刀具，并形成整体叶轮刀具选择指导说明书。
同时，针对密齿刀具加工的髙效性以及有效缓解加工振动的作用，开展新型刀具的切削试验，以减小叶片表面振纹的产生。
2 复杂曲面五轴数控加工过程控制
五轴数控加工存在的误差因素：①机床几何误差，机床各部件存在制造安装误差。②刀具几何误差，刀具的长度和半径较理论值存在偏差。③夹具几何误差，夹具定位面、定位销等存在几何误差。④工件定位误差，工件装夹中由于基准不重合或基准偏移造成的工件在加工坐标系中的位置误差。
五轴联动机床铣削叶片时，机床主轴的摆角功能满足了叶片型面曲率变化所对应的切削受力一致的要求，同时利用A轴可实现刀具相对工件进行环绕加工，这对控制叶片受力变形十分有利，如图1所示。
五轴数控加工中心在加工整体叶轮时，其切削加工过程是一项复杂的系统工程。对数控刀具、刀柄、冷却系统等硬件及零件在线检测，数控程序后置处理，加工过程自适应调整等过程控制手段都有严格的要求。针对叶身型面成形的關键因素，需要从刀具的加工前精度控制、加工中的磨损反馈、机床主轴功率监控及技术防错措施的应用等方面开展数控加工过程质量控制研究。
需要针对数控程序后置处理与机床控制系统加工参数匹配的一致性开展工作。由于整体叶轮叶片为复杂曲面形状，因此采用MAX-PAC等专用软件编制完成的数控程序，需要通过专用的机床后处理文件翻译成每台机床能够识别的G代码数控程序，这项工作非常重要，需要对每台数控机床的控制系统非常了解，在数控程序中匹配加工复杂型面的五轴控制指令，发挥机床控制系统的最大潜能，通过针对性的工作进一步开发完善加工整体叶轮五轴机床的后置处理器，提高零件的加工质量和加工效率。
为了保证程序的正确性、可加工性，减少实际试制时间，在VERICUT软件上进行仿真加工。通过仿真可对程序进行分析，发现在加工中是否过切、欠切。特别是对刀轴变化有特殊要求、旋转角度有限制的程序，可通过仿真确保刀轴变化平稳过渡。此外，还可以通过仿真，了解机床在真正加工时所处的状态。应用VERICUT软件可以对数控程序进行优化，最大限度地保证数控程序的正确性和合理性。对于仿真结果不理想的程序，则要重新修改，直至仿真结果符合加工要求。
3 整体叶轮叶身型面数据预处理技术
数据的预处理包括对截面线的光顺处理和制造模型重构两方面工作。通过在UG统计理论数据进行截面数据的光顺处理，并进一步开展对三维曲面的总体表面优化，以得到更有利于实现表面优质成形的基础模型。通过对进排气边缘形状的调整，以保证光顺处理后前后缘形状满足设计要求；通过构建非均匀余量模型，提高铣削系统刚性，保证铣削加工质量。
4 整体叶轮铣削振动抑制
运用CAM软件在自动生成典型零件刀具轨迹时，只考虑到几何特性，没有过多考虑机床的动态特性，生成的数控程序在VERICUT等仿真软件上的结果很正确，但往往在实际加工时，由于受到切削系统受力变形和机床振动的影响，数控加工效果不是很理想，致使工件表面质量较差，甚至会产生过切、欠切等现象。这就需要以典型零件试验件为载体，进行加工过程的颤振稳定域建模分析，实现零件的颤振抑制；优化切削参数，提高加工效率和加工表面质量、抑制加工振纹；对整体叶轮加工振动检测，获取振动的特征幅值与对应的频率；对刀具在加工过程中进行可靠性评估，对加工过程中刀具的状态进行有效监测，根据刀具的使用寿命及时更换刀具，保证加工质量。消除或减少零件表面产生的颤纹，提高零件表面质量。
开展新型填充材料的研究工作，实际应用中填充材料经常会因膨胀系数不一致造成填充后叶片变形，影响零件的加工质量。因此，有必要开展减振、支撑填充材料的研究工作，找到加工整体叶轮不同类型的填充剂，提高整体叶轮叶身型面的加工质量。
5 提高五轴数控加工技术应用水平的基本策略
（1）整体叶轮类零件加工对刀具的选择比较严格，选择刀具时应综合考虑毛坯的材料、机床类型、允许的切削用量、刀具剛性和寿命、精度要求。整体叶轮类零件粗铣加工采用“层铣+变位插铣”，同时提高铣加工线速度。精铣加工采用密齿铣刀，可大幅提高加工效率。五轴数控铣削精度高、可重复性强，铣刀采用国产化刀具，可大幅降低生产成本。因此要大力推广先进国产数控加工刀具。
（2）在数控编程前，要熟悉机床设备的性能及其技术参数。数控编程时，编程人员要分析零件的材料、几何形状、尺寸大小、加工内容、加工精度、技术要求及热处理等。在分析的基础上，确定加工方案、加工路线、工装夹具、定位夹紧方法、对刀点及换刀点等，并合理选定机床、刀具及切削用量（铣削用量）等。
（3）在高效加工技术方面，小切深、大进给面铣高效加工技术在机匣、整体叶轮粗铣加工中应用成熟，不仅提髙了加工效率，而且减小了对数控加工设备的损耗，延长了设备使用寿命；五轴联动变位插铣技术在整体叶轮、部分机匣上应用，保证在刀具长径比>5的情况下，仍然可以保持高效加工。
（4）强化五轴数控加工过程的质量控制。研究动态误差因素对加工质量的综合影响，如五轴机床伺服误差和热误差、工艺系统受力/热变形误差、刀具磨损产生的误差等，形成标准的工艺流程。研究采用国际上成熟的数控加工自适应控制软件。整体叶轮数控加工程序量非常大，由于采用五轴加工，加工过程中刀具切削参数始终在动态变化，在转接圆角等位置，切削力变化剧烈，因此有必要采用专业切削力分析软件对加工过程中切削系统受力情况进行仿真分析，获得优化的切削参数。
6 结语
综上所述，航空发动机典型零部件数控加工技术水平直接关系到航空行业的发展。因此，在航空发动机典型零部件制造过程中，相关技术人员要选择合适的数控加工技术，并做好相关质量控制工作。本文介绍了一种五轴数控加工技术，该加工技术能够有效提高发动机典型零部件的加工质量和效率，可供有关零部件生产参考。
参考文献
[1]航空发动机典型零件加工技术及装备探讨[J].潘磊，翟莹莹.中国新技术新产品.2017（04）
[2]航空发动机机匣数控加工关键技术研究[J].任军学，田卫军，姚倡锋，刘智武.航空制造技术.2016（05）
关键词：典型零部件；数控加工；加工技术
0 引言
随着我国科学技术水平的提高以及综合国力的增强，我国的航空行业取得了迅猛的发展，航空制造业也在不断进步。在航空制造业中，航空发动机作为航空设备的核心部件，其典型零部件的加工技术越来越受重视。由于航空发动机零部件对加工技术要求较高，对航空发动机典型零部件数控加工技术展开研究具有十分重要的意义。
1 五轴数控加工刀具优化工艺研究
整体叶轮精铣刀具的选择，仅局限在对刀具直径、齿数、锥度和总长四方面的要求，缺乏对刀具螺旋角、前角等影响加工质量和效率的参数的考虑，成为制约叶轮制造能力提升的因素之一。
通过统计整体叶轮加工刀具在现场加工中的经验数据，对反映的问题进行系统分析，与刀具制造商紧密协作分析查找影响加工质量、效率和刀具使用寿命的原因，通过优化刀具几何参数、涂层等方法，实现提高产品质量和加工效率的目标。
对加工整体叶轮加工刀具的刀柄进行优化，采用小长径比、热胀刀柄和小直径整体硬质合金铣刀相结合的方案，进行整体叶轮的精铣加工，以及提髙加工刀具系统的整体刚性，减少因采用大直径铣刀精铣叶身型面带来的让刀，提高叶片表面质量，降低零件的制造成本。
优化后的加工刀具与完善后的叶片铣削策略相结合，以实现加工效率和表面质量两项指标的综合最优为目标，对现用非标锥度球头铣刀的螺旋角、前角及刀具齿数等结构参数与加工过程中所采用的每齿进给量、主轴转速及切削线速度等切削参数进行正交试验，以确定优异的叶型精铣加工刀具，并形成整体叶轮刀具选择指导说明书。
同时，针对密齿刀具加工的髙效性以及有效缓解加工振动的作用，开展新型刀具的切削试验，以减小叶片表面振纹的产生。
2 复杂曲面五轴数控加工过程控制
五轴数控加工存在的误差因素：①机床几何误差，机床各部件存在制造安装误差。②刀具几何误差，刀具的长度和半径较理论值存在偏差。③夹具几何误差，夹具定位面、定位销等存在几何误差。④工件定位误差，工件装夹中由于基准不重合或基准偏移造成的工件在加工坐标系中的位置误差。
五轴联动机床铣削叶片时，机床主轴的摆角功能满足了叶片型面曲率变化所对应的切削受力一致的要求，同时利用A轴可实现刀具相对工件进行环绕加工，这对控制叶片受力变形十分有利，如图1所示。
五轴数控加工中心在加工整体叶轮时，其切削加工过程是一项复杂的系统工程。对数控刀具、刀柄、冷却系统等硬件及零件在线检测，数控程序后置处理，加工过程自适应调整等过程控制手段都有严格的要求。针对叶身型面成形的關键因素，需要从刀具的加工前精度控制、加工中的磨损反馈、机床主轴功率监控及技术防错措施的应用等方面开展数控加工过程质量控制研究。
需要针对数控程序后置处理与机床控制系统加工参数匹配的一致性开展工作。由于整体叶轮叶片为复杂曲面形状，因此采用MAX-PAC等专用软件编制完成的数控程序，需要通过专用的机床后处理文件翻译成每台机床能够识别的G代码数控程序，这项工作非常重要，需要对每台数控机床的控制系统非常了解，在数控程序中匹配加工复杂型面的五轴控制指令，发挥机床控制系统的最大潜能，通过针对性的工作进一步开发完善加工整体叶轮五轴机床的后置处理器，提高零件的加工质量和加工效率。
为了保证程序的正确性、可加工性，减少实际试制时间，在VERICUT软件上进行仿真加工。通过仿真可对程序进行分析，发现在加工中是否过切、欠切。特别是对刀轴变化有特殊要求、旋转角度有限制的程序，可通过仿真确保刀轴变化平稳过渡。此外，还可以通过仿真，了解机床在真正加工时所处的状态。应用VERICUT软件可以对数控程序进行优化，最大限度地保证数控程序的正确性和合理性。对于仿真结果不理想的程序，则要重新修改，直至仿真结果符合加工要求。
3 整体叶轮叶身型面数据预处理技术
数据的预处理包括对截面线的光顺处理和制造模型重构两方面工作。通过在UG统计理论数据进行截面数据的光顺处理，并进一步开展对三维曲面的总体表面优化，以得到更有利于实现表面优质成形的基础模型。通过对进排气边缘形状的调整，以保证光顺处理后前后缘形状满足设计要求；通过构建非均匀余量模型，提高铣削系统刚性，保证铣削加工质量。
4 整体叶轮铣削振动抑制
运用CAM软件在自动生成典型零件刀具轨迹时，只考虑到几何特性，没有过多考虑机床的动态特性，生成的数控程序在VERICUT等仿真软件上的结果很正确，但往往在实际加工时，由于受到切削系统受力变形和机床振动的影响，数控加工效果不是很理想，致使工件表面质量较差，甚至会产生过切、欠切等现象。这就需要以典型零件试验件为载体，进行加工过程的颤振稳定域建模分析，实现零件的颤振抑制；优化切削参数，提高加工效率和加工表面质量、抑制加工振纹；对整体叶轮加工振动检测，获取振动的特征幅值与对应的频率；对刀具在加工过程中进行可靠性评估，对加工过程中刀具的状态进行有效监测，根据刀具的使用寿命及时更换刀具，保证加工质量。消除或减少零件表面产生的颤纹，提高零件表面质量。
开展新型填充材料的研究工作，实际应用中填充材料经常会因膨胀系数不一致造成填充后叶片变形，影响零件的加工质量。因此，有必要开展减振、支撑填充材料的研究工作，找到加工整体叶轮不同类型的填充剂，提高整体叶轮叶身型面的加工质量。
5 提高五轴数控加工技术应用水平的基本策略
（1）整体叶轮类零件加工对刀具的选择比较严格，选择刀具时应综合考虑毛坯的材料、机床类型、允许的切削用量、刀具剛性和寿命、精度要求。整体叶轮类零件粗铣加工采用“层铣+变位插铣”，同时提高铣加工线速度。精铣加工采用密齿铣刀，可大幅提高加工效率。五轴数控铣削精度高、可重复性强，铣刀采用国产化刀具，可大幅降低生产成本。因此要大力推广先进国产数控加工刀具。
（2）在数控编程前，要熟悉机床设备的性能及其技术参数。数控编程时，编程人员要分析零件的材料、几何形状、尺寸大小、加工内容、加工精度、技术要求及热处理等。在分析的基础上，确定加工方案、加工路线、工装夹具、定位夹紧方法、对刀点及换刀点等，并合理选定机床、刀具及切削用量（铣削用量）等。
（3）在高效加工技术方面，小切深、大进给面铣高效加工技术在机匣、整体叶轮粗铣加工中应用成熟，不仅提髙了加工效率，而且减小了对数控加工设备的损耗，延长了设备使用寿命；五轴联动变位插铣技术在整体叶轮、部分机匣上应用，保证在刀具长径比>5的情况下，仍然可以保持高效加工。
（4）强化五轴数控加工过程的质量控制。研究动态误差因素对加工质量的综合影响，如五轴机床伺服误差和热误差、工艺系统受力/热变形误差、刀具磨损产生的误差等，形成标准的工艺流程。研究采用国际上成熟的数控加工自适应控制软件。整体叶轮数控加工程序量非常大，由于采用五轴加工，加工过程中刀具切削参数始终在动态变化，在转接圆角等位置，切削力变化剧烈，因此有必要采用专业切削力分析软件对加工过程中切削系统受力情况进行仿真分析，获得优化的切削参数。
6 结语
综上所述，航空发动机典型零部件数控加工技术水平直接关系到航空行业的发展。因此，在航空发动机典型零部件制造过程中，相关技术人员要选择合适的数控加工技术，并做好相关质量控制工作。本文介绍了一种五轴数控加工技术，该加工技术能够有效提高发动机典型零部件的加工质量和效率，可供有关零部件生产参考。
参考文献
[1]航空发动机典型零件加工技术及装备探讨[J].潘磊，翟莹莹.中国新技术新产品.2017（04）
[2]航空发动机机匣数控加工关键技术研究[J].任军学，田卫军，姚倡锋，刘智武.航空制造技术.2016（05）