郝清龍，楊 騫，蘇 帥，吳宇鵬，董子健

(1.北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191；2.中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司，北京 100120)

0 引言

作為航空發(fā)動機的核心零件，發(fā)動機葉片的制造精度和質量對發(fā)動機的性能和壽命有著顯著的影響[1]。航發(fā)葉片多為薄壁件，其壁厚薄、剛性差，且結構復雜，在切削加工過程中極易出現變形和顫振等一系列問題導致葉片超差[2]。為了保證葉片等薄壁件的加工精度，國內外學者在葉片裝夾、加工工藝優(yōu)化、變形預測等方面對航空發(fā)動機葉片等薄壁件的變形控制開展了一系列的探索研究，并且取得了一定的成果。

對于彈性變形，主要是由于工件壁厚薄，剛性差導致的。因此，最直接最簡單的控制方法就是通過引入過定位裝夾，間接提高葉片的剛性，這也是目前降低彈性變形的主要研究方向。陳嬋娟、劉維偉、李繼博等[3-5]對葉片雙端夾持方法進行了研究，并在工件加工變形控制方面取得了一定效果。LOW、HAO等[6-7]針對薄板件裝夾提出了“∞-∞-∞”非線性定位以及6+X定位等過定位裝夾方法，大大提高了薄壁件的加工精度。過定位裝夾能夠提高工件剛度，對于降低彈性讓刀變形效果顯著。但是，過定位裝夾使加工殘余應力難以釋放。兩端加持去除后，經常會出現已加工合格的工件因應力釋放發(fā)生變形。因此，眾多學者嘗試多種方法對殘余應力變形進行預測、控制，實現葉片的高精度加工。

HUANG等[8]研究了初始殘余應力和加工殘余應力對鋁合金薄板件變形影響規(guī)律，指出加工殘余應力是影響變形的主要因素。JIANG、GAO等[9-10]將有限元法應用于殘余應力預測，建立了殘余應力仿真模型。YAO等[11]采用“分塊法”建立了大型鈦合金葉片的加工變形預測模型。盡管國內外學者對殘余應力及其變形進行了預測并取得了一定的效果。但是，由于殘余應力受到切削過程中熱、力以及刀具磨損等眾多因素影響。目前，對殘余應力的大小和分布的預測仍存在一定的誤差。

張小青等[12]針對其中過定位裝夾易引入裝夾變形、殘余應力難以釋放等問題提出了反向分段加工變形控制技術，在葉片精密磨削加工中獲得了成功應用。但是目前對該變形控制方法的基礎理論研究還很不充分。低熔點合金澆鑄支撐的方式極易因澆鑄熱導致工件裝夾變形，同時澆鑄過程對于操作人員也有一定的危險。針對以上問題，首先對反向分段加工工藝進行了深入分析，然后提出了基于光固化材料的輔助支撐夾具，最后通過葉片磨削試驗驗證了反向分段加工理論及光固化輔助支撐夾具在弱剛性零件銑削加工變形控制方面的優(yōu)越性。

1 反向分段加工理論

1.1 反向分段加工分析

進行如圖1所示自頂而下的正向加工時，有時前一段加工精度符合要求，但是隨著后續(xù)加工的進行，前段的變形越來愈大，最終導致葉片超差。正向加工過程中，將工件加工過程分成如圖1所示3段。每加工一段該段都會發(fā)生微小變形，當第1段加工完后加工更接近根部的第2段時，第2段發(fā)生微小加工變形直接導致了第1段加工工藝基準的改變。隨著切削過程的深入，已經加工的部位其加工基準隨著后續(xù)加工的進行在不斷發(fā)生位置變動。最先加工的部位變位越來越大，最終導致葉片產生較大的累加變形，大大降低了葉片的加工精確度。

圖1 正向加工示意圖

如圖2所示反向分段的變形控制加工方法。反向加工中，工件懸臂裝夾、加工方向從裝夾位置向上加工，保證了每段的加工基準不會因為前面的加工變形而發(fā)生改變，保證了每一段的加工基準是固定不變的。反向分段加工過程中，盡管前一段的加工變形也會引起后續(xù)未加工部分的變形，但是由于后續(xù)未加工部分仍然留有加工余量且其加工基準不變，因此前一段所引起的變形可以通過后續(xù)切削加工而對其進行修正。相比于正向加工，反向加工保證了加工基準的統一，避免了加工誤差的累積，大幅度提高了薄壁件的加工效率。但是，反向加工薄壁件加工長度超過一定極限，其剛性不足，加工中極易出現顫振等現象，導致加工無法進行。因此，需要對工件進行分段，在工件加工到一定段長后，對其進行輔助支撐，一方面避免加工過程中的顫振保證了反向分段加工的順利進行，另一方面也一定程度上減小了加工過程中的“彈性讓刀”變形。

圖2 反向加工示意圖

1.2 反向加工誤差分析

由上可知，工件的變形是隨著其加工的進行不斷變化著的。工件的最終形狀不僅僅與刀具軌跡整體包絡形狀有關，還與刀具加工順序有關，工件的最終狀態(tài)是受到空間和時間耦合影響的函數。以薄壁平板件為例，將其分為3段，對正向、反向分段加工變形誤差進行分析。設各段加工坐標系原點位置分別為O1、O2、O3，每段的加工變形為δ。加工的最大變形一般出現在葉片頂端A，因此以點A位置變動量作為工件變形。

圖3 正向加工示意圖

假設點A位置PA=(px,py,pz)，每段加工變形為di=(rxi,ryi,rzi,txi,tyi,tzi)(i=1,2,3)，其中(rxi,ryi,rzi)為加工第i段時相對于加工坐標系沿X、Y、Z軸旋轉角度，(txi,tyi,tzi)為加工第i段時相對于加工坐標系原點在X、Y、Z方向平移變形。

則對于正向加工，其加工過程如圖3所示。第一段加工后點A相對于O1位置為：

PA1=Rotx1·Roty1·Rotz1·PA+Tran1·PA=T1·PA

(1)

式中，

Tran1=[tx1ty1tz11]T

T1為齊次變換矩陣，其可以表達為：

(2)

第2段加工時同樣發(fā)生了變形，其變形直接導致第1段基準點O1發(fā)生了位置變動，由上可知加工第2段后點O1位置Po1為：

Po1=Rotx2·Roty2·Rotz2·Po+Tran2·Po=T2·Po

(3)

則此時點A位置為：

PA2=Po1·PA=T2·T1·PA

(4)

同理，第3段加工后，點A位置為：

PA3=T3·T2·T1·PA

(5)

則對于正向加工，工件在點A的位置變動量ΔPA，即正向加工加工誤差df為：

df=ΔPA=PA3-PA=(T3·T2·T1-E)·PA

(6)

同理，可得到如圖4所示反向分段加工過程以及加工誤差。有圖可知第1段、第2段加工變形導致點A的位置發(fā)生了變化，但是此時點A仍然未加工，點A仍有加工余量。而且加工第3段時其加工基準O3位置與第1段加工基準O1、第2段加工基準O2一致。因此點A的位置變動量不受前面加工變形的影響，而只與第3段加工變形有關。則對于反向分段加工，點A最終位置變動量PA3為：

PA3=Rotx3·Roty3·Rotz3·P+(tx3,ty3,tz3)T=T3·PA

(7)

則對于反向分段加工，工件在點P的位置變動量即加工誤差ΔP為：

ΔPr=PA3-PA=(T3-E)·PA

(8)

圖4 反向加工示意圖

圖5 正反向加工誤差示意圖

由上可知反向分段加工中工件的變形由每一段的變形量決定，而不受其他加工段的影響。為了使兩種方法誤差對比更加顯著，僅僅考慮工件在壁厚方向彎曲變形，得到如圖5所示正反向加工誤差(假設每一段的加工彎曲變形在數值和方向上均相等，即ryi=δ)。

由圖可知，將工件分為3段時，正向加工誤差為反向分段加工誤差的6倍。對于反向分段加工，分段越多，對應的誤差值越??；當然需要輔助裝夾的次數也就越多，對應加工效率也就越慢。

1.3 光固化輔助支撐夾具設計

由反向分段加工理論可知，葉片分段輔助支撐對于反向分段加工的實現至關重要。一方面輔助支撐夾具要能夠適應葉片復雜的曲面結構并提供足夠的支撐力，增強葉片加工剛性；另一方面輔助支撐夾具還要避免裝夾變形的引入。

通過對常用的低熔點合金等澆鑄輔助支撐夾具進行分析，發(fā)現低熔點合金澆鑄時，澆鑄熱極易引起工件熱變形且易污染葉片表面，同時也會對操作人員造成一定的危險。因此提出并設計了一種基于光固化材料的輔助支撐夾具。光固化材料一方面常態(tài)下具有一定的流動性，能夠很好的適應葉片的復雜曲面；另一方面其受到紫外線光的照射容易固化從而提供一定的支撐力。且固化膠固化速度易控制、幾乎沒有熱量產生、固化過程中幾乎沒有有機揮發(fā)物產生，具備基本的環(huán)保條件，這些特點使光固化材料更加適宜作為填充材料對工件進行輔助支撐?；诠夤袒牧弦陨咸攸c設計了如圖6所示點支撐和面支撐光固化材料輔助支撐夾具。

(a) 點支撐輔助夾具 (b) 面支撐輔助夾具

點支撐光固化輔助支撐夾具具有較好的通用性，但是其結構相對復雜，支撐力的大小與桿的數量直接相關；面支撐夾具結構簡單，但是其通用性差需要針對每一種葉片加工相應的透明輔助夾具基體。

2 反向分段加工試驗

2.1 反向分段加工試驗

以某輥軋葉片為加工對象，對其進行正向加工時，多次采用調整砂輪粒度號，改變磨削參數等方式對其進行加工，但是加工精度一直無法滿足要求。因此本實驗采用面支撐光固化輔助支撐方案，在三軸機床上進行對其進行反向分段加工以驗證反向分段加工理論可行性以及輔助夾具支撐剛性。光固化輔助支撐體如圖7所示。

圖7 光固化輔助支撐透明夾具體

加工工件及其毛坯如圖8所示。通過UG分析可知葉片整體高度68 mm，葉身長度48 mm，最大厚度1.9 mm，進、排氣邊圓弧半徑0.1～0.3 mm；材料為GH4169。加工刀具為D21R1.5電鍍砂輪；主軸轉速為18 000 r/min，進給為1000 mm/min，殘高為0.01 mm。

(a) 加工工件模型(b) 工件毛坯

根據反向分段加工原理將工件加工分為兩段，整體加工流程如圖9所示。首先采用從下向上反向加工的順序加工葉片的下半部分至余量為0.04 mm(為后續(xù)的拋光工序留一定余量)；然后，保持透明輔助夾具體與葉片之間間隙在0.2 mm左右，將輔助夾具基體固定在夾具上，并在間隙內倒入光固化膠，待其填滿縫隙后，用紫外線光照射透明輔助支撐夾具，使固化膠固化；最后然后采用從下向上反向加工的順序加工工件上半部分至余量0.04 mm。為減小“讓刀變形”的影響，工件加工過程中每切削一層后再重復空跑一遍加工程序。

為確定輔助支撐引入變形大小，在進行輔助定位時用百分表測量了光固化材料充滿間隙并凝固前后百分表的讀數變動量，百分表讀數變動小于0.01 mm。

2.2 試驗結果測量及分析

葉片加工后形貌如圖10a所示，由加工表面形貌可知葉片加工過程中基本無顫振。將加工后的葉片放置在三坐標測量機上測量，分別取Z=10 mm，Z=27.5 mm，Z=42 mm三條等高截面線，每條截面線取100個測量點，同時在盆和背中間位置分別各取一條豎線進。分別對截面線和豎直線進行測量以觀察葉片加工精度，其測量截面線以及豎直線如圖10b所示。

(a) 加工工件 (b) 葉片測量截面線

加工工件截面線以及葉盆、葉背豎直線三坐標測量結果如圖11所示。

(a) 截面線測量結果

由圖可知，葉片各個截面線變化規(guī)律大致呈現一致性，各截面線輪廓度誤差在-0.03～0.02 mm范圍內波動，豎直線加工誤差在-0.01～0.02 mm內波動，加工精度均符合葉片加工公差要求。由實驗結果可知反向分段加工工藝以及光固化夾具在薄壁件加工中能夠有效控制葉片的加工變形。

3 結論

由上述可得到以下結論：

(1)反向分段加工實現了加工基準統一，對于減小薄壁件加工變形具有顯著作用。

(2)光固化膠輔助定位夾具能夠保證其在不引入輔助支撐的情況下實現薄壁件的輔助支撐，對于反向分段加工的順利進行以及彈性變形的減小具有顯著作用。

(3)反向分段加工由于其剛度的變化，容易在段與段交匯處出現接刀，采用多次重復切削或補償等方法消除工件加工中的“彈性讓刀”變形，可將分段加工的接刀控制到很小甚至消除接刀。