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摘 要：航空叶片是发动机中的最核心部件之一，传统的叶片加工方法费时费力，精度低。随着数控技术的发展，大多数的叶片采用数控铣床来进行加工，但这种加工方法易引起应力变形，生产效率低。针对以上叶片加工的问题，结合五坐标数控铣床开展叶身型面数控加工技术的研究，并采用三坐标测量的方法对叶片型面进行测量。
关键词：叶片 五坐标数控铣 三坐标测量
中图分类号：V261 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-074-02
1 引言
航空叶片是发动机的核心部件之一，叶片型面的设计和制造水平决定了发动机的性能。传统的航空发动机叶片加工方法费时费力，废品率高。目前，随着数控技术的应用越来越广泛，叶片加工模式也逐渐应用数控机床来实现。早在20世纪90年代，美国等一些发达国家就已经将精密数控加工技术应用于曲面的制造，并在加工效率的提高和加工精度的改善方面取得了一定的成果。经过这种方法加工的叶片榫头尺寸和轮廓度达到设计要求，型面无需人工去除余量，精度高、制造周期短，榫头和型面尺寸采用先进的接触式测量方法进行测量，有很大的先进性。
目前，五坐标数控加工技术已经在国际广泛应用于了叶身型面的加工上，它可以高效率的、高精度的去除叶片型面材料，既保证产品质量，又提高了加工效率。
2 航空叶片五轴加工方法研究
2.1 现常用的叶片加工方法
一般情况下燕尾型榫头叶片的现有的制造工艺为：模锻件（精密锻造）—拉、铣削榫头—粗抛光叶身（或采取化铣、冷轧、数控加工）—真空热处理—精抛光叶身。这种工艺路线较落后，会有一些难题难以克服：
（1）拉削榫头，拉床的功率要求较高，对于大型叶片，大尺寸的拉刀无法制造。
（2）成型铣削榫头，这一加工方法仅需要普通三坐标数控铣床，榫头铣削完成后，再进行精磨，叶身可以采取数控加工方法进行加工。这种工艺对设备要求较低，需要特制成型铣刀，数控加工叶身需要不同结构的测具。另外，需要制造较多的夹具。
2.2 变形理论分析及改进方法
叶片变形问题也是造成废品率高的一个重要原因，影响航空发动机叶片变形的因素主要有以下几个方面：
（1）毛坯材料。
航空叶片一般采用高强度铝合金作为原材料，虽然易切削，但弹性模量小，屈强比大，在切削加工中极易产生回弹。
所以从材料的角度上可以选择钛合金，如TC4，退火状态具有较高的强度和良好的塑性，机械强度高，经淬火和时效处理后其强度可提高至1190MPa。该合金还具有较高的抗蠕变能力、低温韧度及良好的耐蚀性。
（2）毛坯初始残余应力。
毛坯的初始残余应力对工件的变形影响非常大。当切削加工时，某些表面被切去一层金属后，就打破了平衡状态，内应力重新分布，零件就明显的变形。
因此，可以采用去应力退火、机械拉伸法、模冷压法、深冷处理法等消除毛坯残余应力。
（3）工艺系统。
切削加工时，由机床、刀具、夹具和工件组成的工艺系统，在切削力、夹紧力以及重力等作用下，将产生相应的变形，使刀具和工件的相互位置以及切削时成形运动的几何关系发生变化，造成加工误差。
（4）加工路径。
加工路径的顺序将影响工件内原有残余应力释放顺序。
在加工过程中，要合理设计夹具，刀具路径应尽量平滑，避免急剧变化造成过切。叶身边缘部分不允许有水平加工轨迹，可采用螺旋下刀方式。
（5）切削力和切削热。
切削过程中，工艺系统的刚度会随着切削力作用点的位置变化而变化，这将直接影响工件的几何形状误差，产生加工变形。
在叶片加工过程中，可采用均衡温度场、加速热平衡等方法来减少和控制工艺系统的切削热变形对加工精度的影响。同时，还可以采用高速切削的方法。
2.3 研究的新方案
（1）采用软件。
本次研究选用UG NX4.0作为辅助软件，大量研究和实践的基础上，按尺寸公差中中差建立模型，使用加工模块下的变轴加工卡片完成编制榫头加工的五轴加工程序，使用UG—POST软件编制后处理程序为Ferrari.PUI文件，可将UG的程序转化成了五坐标数控铣设备可以接受的数据格式。
（2）加工方案。
采用Ferarri公司的专用五坐标数控加工设备开展叶身型面数控加工技术研究工作，在毛料上增加榫头夹持面，用于配合工艺凸台作为数控铣加工时的定位基准，采用粗、精加工相结合的方法，进行整个叶片的加工（见图1）。
如图2所示，传统的叶片加工中，是先加工叶根（A区），然后加工（B）区，再向叶尖（C区）加工，经过长时间的研制和生产，发现叶片的变形较大。经过反复试验，优化了叶片的切削顺序，切削顺序为C一A—B，这样加工的优点是由叶片强度较差的区域向强度较小的区域，叶片未铣区域能够始终保持较好的刚性，有效的减小了叶片的变形。叶身采用螺旋铣削的方法加工。
（3）测量方案。
叶片的检测采用三坐标测量机，在测量时，首先通过测量机的扫描功能，将截面数据采取下来，然后利用分析软件Blad 的分析功能，依据事先给定的型面公差和理论点进行拟合与评价，并最终给出检测报告，如图3所示。
本次试验和研究，使叶片榫头加工尺寸合格，叶身未出现过切，探索出了一条崭新的加工和测量叶片榫头及叶身的路线，实现了大型叶片制造技术的一次飞跃。
参考文献：
[1] 刘艳.叶片制造技术[M].北京：科学出版社，2002.
[2] 吴小虎.叶片型面数控加工误差分析与修正方法研究[D].北京：北京交通大学，2010.
[3] 刘维伟，张定华，史耀耀，等.航空发动机薄壁叶片精密数控加工技术研究[J].机械科学与技术，2004（07）：32-36.
[4] 刘玉娟.航空发动机叶片制造技术研究[D].兰州：兰州理工大学，2009.
关键词：叶片 五坐标数控铣 三坐标测量
中图分类号：V261 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-074-02
1 引言
航空叶片是发动机的核心部件之一，叶片型面的设计和制造水平决定了发动机的性能。传统的航空发动机叶片加工方法费时费力，废品率高。目前，随着数控技术的应用越来越广泛，叶片加工模式也逐渐应用数控机床来实现。早在20世纪90年代，美国等一些发达国家就已经将精密数控加工技术应用于曲面的制造，并在加工效率的提高和加工精度的改善方面取得了一定的成果。经过这种方法加工的叶片榫头尺寸和轮廓度达到设计要求，型面无需人工去除余量，精度高、制造周期短，榫头和型面尺寸采用先进的接触式测量方法进行测量，有很大的先进性。
目前，五坐标数控加工技术已经在国际广泛应用于了叶身型面的加工上，它可以高效率的、高精度的去除叶片型面材料，既保证产品质量，又提高了加工效率。
2 航空叶片五轴加工方法研究
2.1 现常用的叶片加工方法
一般情况下燕尾型榫头叶片的现有的制造工艺为：模锻件（精密锻造）—拉、铣削榫头—粗抛光叶身（或采取化铣、冷轧、数控加工）—真空热处理—精抛光叶身。这种工艺路线较落后，会有一些难题难以克服：
（1）拉削榫头，拉床的功率要求较高，对于大型叶片，大尺寸的拉刀无法制造。
（2）成型铣削榫头，这一加工方法仅需要普通三坐标数控铣床，榫头铣削完成后，再进行精磨，叶身可以采取数控加工方法进行加工。这种工艺对设备要求较低，需要特制成型铣刀，数控加工叶身需要不同结构的测具。另外，需要制造较多的夹具。
2.2 变形理论分析及改进方法
叶片变形问题也是造成废品率高的一个重要原因，影响航空发动机叶片变形的因素主要有以下几个方面：
（1）毛坯材料。
航空叶片一般采用高强度铝合金作为原材料，虽然易切削，但弹性模量小，屈强比大，在切削加工中极易产生回弹。
所以从材料的角度上可以选择钛合金，如TC4，退火状态具有较高的强度和良好的塑性，机械强度高，经淬火和时效处理后其强度可提高至1190MPa。该合金还具有较高的抗蠕变能力、低温韧度及良好的耐蚀性。
（2）毛坯初始残余应力。
毛坯的初始残余应力对工件的变形影响非常大。当切削加工时，某些表面被切去一层金属后，就打破了平衡状态，内应力重新分布，零件就明显的变形。
因此，可以采用去应力退火、机械拉伸法、模冷压法、深冷处理法等消除毛坯残余应力。
（3）工艺系统。
切削加工时，由机床、刀具、夹具和工件组成的工艺系统，在切削力、夹紧力以及重力等作用下，将产生相应的变形，使刀具和工件的相互位置以及切削时成形运动的几何关系发生变化，造成加工误差。
（4）加工路径。
加工路径的顺序将影响工件内原有残余应力释放顺序。
在加工过程中，要合理设计夹具，刀具路径应尽量平滑，避免急剧变化造成过切。叶身边缘部分不允许有水平加工轨迹，可采用螺旋下刀方式。
（5）切削力和切削热。
切削过程中，工艺系统的刚度会随着切削力作用点的位置变化而变化，这将直接影响工件的几何形状误差，产生加工变形。
在叶片加工过程中，可采用均衡温度场、加速热平衡等方法来减少和控制工艺系统的切削热变形对加工精度的影响。同时，还可以采用高速切削的方法。
2.3 研究的新方案
（1）采用软件。
本次研究选用UG NX4.0作为辅助软件，大量研究和实践的基础上，按尺寸公差中中差建立模型，使用加工模块下的变轴加工卡片完成编制榫头加工的五轴加工程序，使用UG—POST软件编制后处理程序为Ferrari.PUI文件，可将UG的程序转化成了五坐标数控铣设备可以接受的数据格式。
（2）加工方案。
采用Ferarri公司的专用五坐标数控加工设备开展叶身型面数控加工技术研究工作，在毛料上增加榫头夹持面，用于配合工艺凸台作为数控铣加工时的定位基准，采用粗、精加工相结合的方法，进行整个叶片的加工（见图1）。
如图2所示，传统的叶片加工中，是先加工叶根（A区），然后加工（B）区，再向叶尖（C区）加工，经过长时间的研制和生产，发现叶片的变形较大。经过反复试验，优化了叶片的切削顺序，切削顺序为C一A—B，这样加工的优点是由叶片强度较差的区域向强度较小的区域，叶片未铣区域能够始终保持较好的刚性，有效的减小了叶片的变形。叶身采用螺旋铣削的方法加工。
（3）测量方案。
叶片的检测采用三坐标测量机，在测量时，首先通过测量机的扫描功能，将截面数据采取下来，然后利用分析软件Blad 的分析功能，依据事先给定的型面公差和理论点进行拟合与评价，并最终给出检测报告，如图3所示。
本次试验和研究，使叶片榫头加工尺寸合格，叶身未出现过切，探索出了一条崭新的加工和测量叶片榫头及叶身的路线，实现了大型叶片制造技术的一次飞跃。
参考文献：
[1] 刘艳.叶片制造技术[M].北京：科学出版社，2002.
[2] 吴小虎.叶片型面数控加工误差分析与修正方法研究[D].北京：北京交通大学，2010.
[3] 刘维伟，张定华，史耀耀，等.航空发动机薄壁叶片精密数控加工技术研究[J].机械科学与技术，2004（07）：32-36.
[4] 刘玉娟.航空发动机叶片制造技术研究[D].兰州：兰州理工大学，2009.