1 概述
叶片作为一种复杂的透平机械零件，在航空发动机中，起着能量转换的关键作用，是提高航空发动机推重比的关键部件。某机静子叶片作为薄型难加工材料的典型零件，数控加工过程中存在着严重的弹性变形，变形量0.10～0.25mm。为了控制和改善数控加工过程中产生的变形，提高数控加工精度和产品的合格率，根据对影响其变形及加工质量的几个重要因素的分析，通过大量攻关试验，达到了对薄型难切削材料叶片加工过程中变形的控制及改善；实现了此类薄型叶片小余量的稳定加工；实现了宽行高效数控铣削技术；达到了行业内同类叶片数控加工的最高水平。实验所采用的各项技术及方法也为其它薄型叶片的数控加工提供了经验与技术。
2 技术难点
2.1 零件类型、加工难点及特殊性
此叶片为薄型叶片，两端为轴颈，且轴颈长度不一致。长宽比例大，材料为高温合金，属于难加工材料，切削时容易出现烧伤和弹性变形。同时，叶身的角向定位是大轴颈上宽度非常窄的小扁，夹具角向定位难且加工叶身型面过程中易产生扭转透光。因此必须在加工系统刚性优化、刀路轨迹优化、切削参数选择等方面进行改善，从而减小变形，提高数控加工质量。
2.2 精度要求
设计要求的尺寸精度高，技术条件严格。叶身型面边缘厚度薄，叶身轮廓度公差小，叶身型面扭转大。
3 试验
3.1 材料
叶片的材料为高温合金，硬度非常大，切削加工性能较差。
3.2 设备
试验所采用的是国外先进的高速数控铣床。该设备尾座处配备有与另一端同步转动的U轴，在此叶片的数控加工中起很好的对心作用。
3.3 变形的控制及改善
影响叶片变形的因素主要有以下几个方面，下面将分别对其进行分析并阐述试验所采取的措施。
3.3.1装夹系统的稳定性及刚性对叶片变形的影响及控制
装夹是否稳定，重复精度如何及夹紧力的大小是影响变形的主要因素。叶片为弱刚性体，增强装夹系统刚性是解决薄型叶片变形的最主要途径。
3.3.1.1 增强装夹系统刚性
以往数控加工叶身型面时，采用顶尖顶紧小轴颈处顶尖的方式，
此叶片非常薄，在顶紧力的作用下，叶身型面变形非常明显，加工过程不平稳。改进后采用抱紧轴颈的方式，自设U轴处夹头。
叶片两端均采用抱紧轴颈的方式且此结构装夹好叶片后手动将U轴坐标向拉紧小轴颈方向前进0.03mm，拉紧叶片而不是顶紧叶片的装夹方式。采用此种方法大大加强了这种薄型易变形叶片加工精度及稳定性，使叶片变形量减少到最小。
3.3.1.2 增强装夹系统稳定性
装夹系统的稳定性对提高数控加工合格率起着非常重要的作用。装夹系统稳定了，加工状态一致性较好，合格率自然就得到了提高。
3.3.2切削过程是否稳定，切削力是否均匀对变形的影响及控制
优化走刀路径，优化加工顺序，合理分布粗精加工余量，预留均匀切削载荷，是保证切削过程稳定的主要途径。
3.3.2.1优化走刀路径
①切边程序
毛料边缘余量较叶身大很多，需要编制一个切边程序。
原程序采用沿圆弧R最边缘法向切削一次，为粗加工留0.6余量的方式。切边加工是叶片数控加工过程中产生变形量最大的一个，轴颈变形量约0.25左右。现切边程序开发出TS80软件新功能，沿进排气边R表面均匀抽取三条驱动线，沿三条不同矢量方向的驱动线进行切削边缘余量，分二次切削，余量由0.9至0.45。经测量证实，叶片轴颈变形量约0.1左右。以此减少了切边程序所产生的变形且进排气边余量变得更为均匀。
②合理的粗精加工
据叶片毛料的实际特点，分粗铣、精铣两次同步进行叶身型面的加工。
粗铣部分主要是去除叶身表面的毛料硬化层，为精加工预留均匀的切削载荷，保证精铣的加工质量。由于毛料余量不均，想完全去除硬化层，需为精加工留0.35mm的加工余量。精铣部分采用顺铣的切削方法，去除的材料较均匀，且采用曲率梳较好的曲面作为驱动面，防止了加工过程中常出现的颤纹及凹坑等缺陷，表面质量可以达到Ra0.8以上。
4 高效加工技术与刀具的选择
4.1关于高效加工
高效加工最合理的解释是：在有限的时间内，最大限度去除材料。国外研究数据显示，增加切削参数20 % ，约可降低单件制造成本15%。数控加工的发展就是粗加工采用宽行大切深大进给，精加工采用高转速，高进给的高速加工。无论是粗加工还是精加工，随着切削速度的提高，切削温度会有下降的趋势。这说明，采用了更高的切削速度和进给速度，允许采用较小的切削用量进行切削加工。由于切削用量的降低，切削力和切削热随之下降，工艺系统变形减小，可以避免铣削颤振。利用这一特性可以通过高速铣削工艺加工薄壁结构零件。
4.2数控刀具的技术要求
高温合金材料要求刀具锋利，一般情况下宜选取较小正前角，较大后角，较大工作主偏角。对于粗加工，断续切削容易产生振动的加工工序，宜采用中等颗粒或含量较高的超细颗粒硬质合金；对于精加工，必须考虑切削过程对表面完整性的影响，如限制后刀面磨损带，及时刃磨等。根据以上特点和以往经验，粗加工选用了Ф10R2铣刀，精加工选用了Ф10R1铣刀，切削时选择适当的冷却液，加冷却液时应考虑充分冷却并不间断。
4.3切削参数与数控高效加工技术相结合
叶型粗加工大胆地采用了宽行铣削技术，根据叶型结构特点，保证叶身不过切的情况下，给定粗加工用刀Ф10R2的前倾角为10°，允许加工后的残留高度为0.1 mm，计算出刀具步距为3.75 mm，在理论切削参数的计算下，又提高了进给系数，进给达500mm/min，一片叶片粗加工仅用时9分钟。精加工用刀Ф10R1的前倾角仍选用10°，允许加工后的残留高度为0.005 mm，计算出刀具步距为0.75，进给达800mm/min，一片叶片精加工用时21分钟。经过计算加工效率相对于传统加工效率提高了约50%，合格率达到95%。
结语
掌握了高温合金薄型叶片的数控加工工艺；控制了加工系统的稳定性；有效地控制了叶片变形问题；提高了生产效率 。为其他高温合金零件加工提供了宝贵经验。
(审核编辑: 智汇小新)
