郭皓邦 曹 拯 雷學(xué)林 何 云

（①中國(guó)航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002；②華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件之一。進(jìn)氣機(jī)匣利用內(nèi)部流道控制氣體流動(dòng)，要求流道壁面光滑、復(fù)雜曲面圓滑轉(zhuǎn)接[1]。鑄造機(jī)匣毛坯內(nèi)部流道的表面輪廓度和表面粗糙度均無(wú)法達(dá)到保證流道氣動(dòng)性能的需求，因此須對(duì)機(jī)匣流道復(fù)雜內(nèi)壁型面進(jìn)行機(jī)械加工[2]。

由于流道型面復(fù)雜，鑄造毛坯的加工余量較大且不均勻，加上流道深、開口狹窄，導(dǎo)致加工刀具的長(zhǎng)度增加，嚴(yán)重降低了主軸剛性，在加工過(guò)程中極易發(fā)生顫振，影響加工質(zhì)量[3]，如圖1 所示。因此，現(xiàn)階段對(duì)該進(jìn)氣機(jī)匣鑄造毛坯流道復(fù)雜型面的加工仍采用手工打磨的方法，該方法不僅工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)時(shí)耗力，而且產(chǎn)品一致性不高，造成粉塵和噪音污染的問(wèn)題。因此，為實(shí)現(xiàn)機(jī)匣內(nèi)流道表面高效精確一致的光整加工，研究高效的流道五軸加工方法勢(shì)在必行。進(jìn)氣機(jī)匣結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該進(jìn)氣機(jī)匣內(nèi)部流道的輪轂、氣道、葉片和輪蓋部分可以近似地看作閉式葉輪，其曲面復(fù)雜，空間較為封閉，加工時(shí)刀軸變化頻繁，極易發(fā)生干涉，且4個(gè)葉片不是均勻分布，這些因素給加工工藝的制定帶來(lái)了很大困難[4]。目前，有很多學(xué)者針對(duì)復(fù)雜曲面五軸加工的刀路優(yōu)化方法進(jìn)行了研究，王晶等[5]提出一種基于臨界約束的五軸刀軸矢量整體優(yōu)化方法，通過(guò)計(jì)算臨界刀軸矢量，建立刀軸擺動(dòng)可行域，最后建立無(wú)干涉且相鄰刀軸變化最小的刀軸矢量?jī)?yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)曲面五軸加工刀軸矢量的光順控制。濮瀟楠等[6]將復(fù)雜曲面零件離散為點(diǎn)云模型，計(jì)算初始刀軸與曲面離散點(diǎn)的間距，識(shí)別無(wú)干涉刀軸空間，進(jìn)行干涉刀軸修正，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜曲面五軸無(wú)干涉刀軸規(guī)劃。為自動(dòng)生成閉式葉輪的加工路徑，多采用UG 和PowerMill 等通用CAM 軟件進(jìn)行數(shù)控編程[7-10]，這類軟件在制定加工路徑時(shí)需要較為繁瑣的操作，對(duì)編程人員提出很高要求。五軸葉輪零件專用數(shù)控加工軟件MAX-PAC 是集設(shè)計(jì)、分析、加工于一體的研發(fā)平臺(tái)，基于葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)智能生成葉輪加工刀具軌跡[11]，適用于本研究中的閉式葉輪加工。

圖1 因刀具顫振產(chǎn)生的凹坑

圖2 進(jìn)氣機(jī)匣結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述問(wèn)題，本文討論了加工過(guò)程顫振抑制方法，并以MAX-PAC 為基礎(chǔ)，制定加工工藝、規(guī)劃刀具路徑，設(shè)計(jì)專用刀具，使用Vericut 對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行建模和加工過(guò)程進(jìn)行仿真，驗(yàn)證刀路的可行性，最終在C100P 五軸臥式加工中心實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣機(jī)匣流道復(fù)雜型面高效銑削加工。

1 加工過(guò)程顫振抑制方法

1.1 加工傾角對(duì)球頭銑刀切削速度的影響

在葉片型面的銑削加工中，球頭銑刀的加工傾角隨著自由曲面曲率的變化而變化，從而導(dǎo)致球頭銑刀的切削速度范圍也在不斷地發(fā)生變化。為了降低加工過(guò)程中的切削力以抑制顫振，需提高實(shí)際切削過(guò)程中的切削速度v。當(dāng)?shù)毒叩募庸A角確定時(shí)可計(jì)算球頭銑刀的切削速度范圍。如圖3 所示，用直徑為d的球頭銑刀加工時(shí)，加工傾角為 α，切削深度為ap，機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速為n?？梢苑? 種情況討論球頭銑刀在不同加工傾角下的切削速度范圍。

圖3 球頭銑刀加工傾角的4 種情況

如圖3a，當(dāng)加工傾角為零時(shí)，球頭銑刀的刀尖參與切削，此種情況下刀具的切削速度范圍為

如圖3b，當(dāng)加工傾角為正值時(shí)，球頭銑刀的刀尖不參與切削，此種情況下刀具的切削速度范圍為

從式（2）～（4）可知，在固定的角度下，正的加工傾角的最小切削速度等于負(fù)的加工傾角的最大切削速度，因此采用正的加工傾角能夠得到更高的切削速度范圍，而更高的切削速度范圍能夠有效地降低切削過(guò)程中的切削力。此外，切削過(guò)程中刀具加工傾角增加會(huì)使參與切削的有效刀具直徑增加從而帶來(lái)刀具的平均切削速度增加，從而有效地控制了加工過(guò)程中的顫振。

1.2 加工工藝

進(jìn)氣機(jī)匣材料為鑄鋁ZL114。機(jī)匣高240 mm，大端最大直徑330 mm，小端最大直徑217 mm。從機(jī)匣三維模型不難看出，機(jī)匣內(nèi)部流道面具有流道深、開口小、型面復(fù)雜的特點(diǎn)，尤其是小端開口僅55 mm。即使利用五軸機(jī)床也無(wú)法通過(guò)一次裝夾完成加工。綜合加工余量分布情況，盡可能地減少加工步驟，采取兩次裝夾，共兩次加工：首先大端朝上，銑刀先從零件大端面進(jìn)入加工氣道的各部分；之后小段朝上，銑刀再?gòu)牧慵《嗣孢M(jìn)入加工剩余部分，從而完成加工。因?yàn)闄C(jī)匣大端開口大，空間寬裕，而機(jī)匣小端開口小，容易發(fā)生干涉，所以加工大端時(shí)的加工深度需要盡量深，達(dá)到機(jī)匣總高度的70%。兩道工序使用的夾具如圖4 所示，除定位部件、周向壓板外還通過(guò)機(jī)匣中心孔用扣板壓緊，增加系統(tǒng)的剛性，可有效降低加工過(guò)程中產(chǎn)生的顫振情況。

圖4 加工使用的夾具示意圖

根據(jù)零件的加工余量，進(jìn)氣機(jī)匣的內(nèi)外側(cè)圓角部分以及大、小端的葉片頂緣處殘留有較大余量，而內(nèi)、外流道面的余量較小，見圖5。為防止加工機(jī)匣內(nèi)部型面時(shí)，刀具經(jīng)過(guò)各處圓角時(shí)因切削量突然增大，引起發(fā)振導(dǎo)致過(guò)切，需要在型面加工之前去除圓角、頂緣的大部分余量，保證切削量均勻變化。進(jìn)氣機(jī)匣內(nèi)部流道的總體加工路線如下：

圖5 機(jī)匣毛坯余量分布

（1）機(jī)匣大端圓角、葉片頂緣粗加工。

（2）機(jī)匣大端葉片頂緣精加工。

（3）機(jī)匣大端流道、葉片型面精加工。

（4）機(jī)匣大端圓角清根精加工。

（5）機(jī)匣小端拐角、頂緣粗加工。

（6）機(jī)匣小端葉片頂緣精加工。

（7）機(jī)匣小端流道、葉片型面精加工。

（8）機(jī)匣小端圓角清根精加工。

1.3 刀具設(shè)計(jì)

機(jī)匣流道在切削加工過(guò)程中，為使刀具完全去除轉(zhuǎn)角處的加工余量，刀具半徑不能超過(guò)過(guò)渡圓弧半徑12 mm，而加工深度最大要求160 mm，因此刀具長(zhǎng)徑比普遍為10 mm 左右，這就造成主軸剛性低，容易產(chǎn)生顫振。為盡量降低因刀具顫振產(chǎn)生的影響，針對(duì)不同加工位置設(shè)計(jì)了專用刀具，見圖6，刀具具體參數(shù)見表1。

表1 加工刀具

圖6 加工使用的刀具

其中拐角、葉緣部位粗加工使用的刀具為T1 D16 立銑刀，由于這些位置的鑄造毛坯加工余量大，且分布不均勻，為保證刀具遇到大切削量、切削量變化不均等情況時(shí)不發(fā)生振動(dòng)，使用立銑刀進(jìn)行粗加工，確保刀具傾斜時(shí)底刃的切削速度，可提高粗加工時(shí)的切削穩(wěn)定性，提高加工效率。

精加工使用的T2、T3、T4 均為直徑16 mm 的球頭銑刀，用于流道內(nèi)復(fù)雜曲面的精加工。3 把刀具在長(zhǎng)度和刀具結(jié)構(gòu)上各有不同，以滿足不同部位的加工需求。其中T3 長(zhǎng)度最短，適用于大、小端葉片頂緣以及小端內(nèi)、外側(cè)圓角這類加工位置不要求大懸長(zhǎng)部位的精加工。而T2 的長(zhǎng)度比T3 長(zhǎng)，用于大端內(nèi)、外側(cè)圓角，大端型面這類需要大的刀具懸長(zhǎng)，干涉條件比較寬裕部位的精加工。而T4 棒棒糖球頭銑刀在前端有一錐度，加工時(shí)可以起到避讓、防止干涉的作用，用于加工小端內(nèi)、外側(cè)氣道面這類干涉條件苛刻的部位的精加工。加工工藝路線與刀具如圖7 所示，各工序使用的刀具和加工參數(shù)見表2 和表3。

表2 大端加工方案

表3 小端加工方案

圖7 加工工藝路線與刀具示意圖

2 加工數(shù)控編程與模擬仿真

2.1 加工路徑規(guī)劃

針對(duì)該零件的刀具路徑編程使用NREC MAXPAC 軟件來(lái)完成[12]，由于機(jī)匣結(jié)構(gòu)類似閉式葉輪，因此使用MAX-PAC 中的SI Pocket 模塊，該模塊針對(duì)閉式葉輪類零件的加工，提供多種刀位軌跡模板和加工策略，如進(jìn)出口邊加工、葉片精加工和圓角精加工等，能快速生成刀路軌跡[13]。

其中圓角部位粗加工時(shí)，為了保證較高的加工效率，快速去除大部分余量，并確保剩余加工量均勻分布，采用三軸加工加工方式。刀軸的傾斜角度通過(guò)視角確定，以進(jìn)出口邊加工策略進(jìn)行回字形加工，切削速度300 m/min，進(jìn)給量0.4 mm/齒，軸向切削步距設(shè)定為0.6 mm，葉片的剩余量設(shè)定為0.2 mm。

圖8 和圖9 分別為機(jī)匣大端、小端加工路徑。

圖8 大端加工刀具路徑

圖9 小端加工刀具路徑

2.2 仿真加工

由于MAX-PAC 軟件的后處理模塊較封閉，拓展性較差，本文使用IMSpost 進(jìn)行后處理，IMSpost的后處理定制功能豐富，可根據(jù)各種機(jī)床結(jié)構(gòu)定制合適的后處理程序。為提高加工精度，將開啟機(jī)床的刀尖點(diǎn)跟隨功能（RTCP）[14]，完成設(shè)置后生成NC 程序。

為了通過(guò)仿真縮短加工時(shí)間，檢查過(guò)切、欠切，防止機(jī)床碰撞、超行程等錯(cuò)誤，本文使用Vericut進(jìn)行仿真加工。在軟件中搭建機(jī)床模型，將夾具、零件導(dǎo)入軟件，保證仿真環(huán)境和實(shí)際加工環(huán)境完全一致，圖10 為軟件中搭建的加工環(huán)境。圖11 為仿真加工后的模型與設(shè)計(jì)模型的對(duì)比。

圖10 Vericut 中搭建的仿真加工環(huán)境

圖11 仿真加工模型于設(shè)計(jì)模型的對(duì)比

2.3 實(shí)際加工驗(yàn)證

完成仿真加工和參數(shù)優(yōu)化后，在C100P 五軸臥式加工中心進(jìn)行實(shí)際加工，加工結(jié)果如圖12 所示，機(jī)匣中的氣道面、葉片、各處圓角銑削加工后表面質(zhì)量良好，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到要求。

圖12 進(jìn)氣機(jī)匣內(nèi)流道局部加工表面

加工完成后，針對(duì)機(jī)匣流道的尺寸精度和表面粗糙度進(jìn)行了檢測(cè)：

（1）機(jī)匣流道型面和葉片型面的輪廓度要求為±0.3 mm，經(jīng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)，加工后流道型面的輪廓度在±0.21 mm 之內(nèi)，葉片型面的輪廓度在±0.19 mm 之內(nèi)，滿足技術(shù)要求。

（2）經(jīng)目視法觀察機(jī)匣內(nèi)流道表面幾乎不可見加工痕跡，判斷流道表面粗糙度優(yōu)于Ra3.2 μm，達(dá)到技術(shù)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)某進(jìn)氣機(jī)匣內(nèi)流道復(fù)雜型面的高效銑削加工，本文通過(guò)分析進(jìn)氣機(jī)匣的加工工藝，得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)機(jī)匣不同加工部位的余量分布情況，綜合加工傾角、加工工藝和刀具設(shè)計(jì)提出了機(jī)匣加工顫振抑制方法。

（2）針對(duì)進(jìn)氣機(jī)匣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其內(nèi)流道面、葉片型面和外流道面類比成閉式葉輪的輪轂、葉片和輪蓋。使用五軸葉輪零件專用數(shù)控加工軟件MAX-PAC 完成了進(jìn)氣機(jī)匣內(nèi)流道的數(shù)控加工路徑規(guī)劃。

（3）經(jīng)后置處理程序得到了NC 程序后，在Vericut 中導(dǎo)入機(jī)床模型、夾具模型和進(jìn)氣機(jī)匣毛坯模型，對(duì)進(jìn)氣機(jī)匣內(nèi)流道的光整加工過(guò)程進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證，并在機(jī)床上完成了進(jìn)氣機(jī)匣內(nèi)流道的加工。