数控加工中叶片零件特征及切削刀具的选择研究
2023-12-5 来源：新疆应用职业技术学院 作者：安东亮，何欢欢
摘要：叶片作为航空发动机、汽轮机等动力机械中重要的工作零件，叶片零件的加工质量直接影响动力装置的使用寿命和性能。在实际加工过程中，叶片零件的结构形状差异较大，种类多，加工工艺复杂，对加工质量和加工精度要求高等特点，直接增加了数控加工的难度。根据叶片零件加工特点，在数控铣削加工中选择适合的刀具，既能够降低加工成本，又可提高加工效率和质量。对此，文章首先从叶片结构和材料方面阐述了数控加工中叶片零件的特征，然后分析了叶片零件的数控加工特点，说明叶片零件加工的特殊性，明确在叶片加工中刀具选择的重要性，最后针对叶片零件特征对数控加工中如何选择刀具种类进行论述，主要从刀具的结构、材料和几何参数进行分析。选择适宜的加工刀具，满足叶片零件的加工需求，在保证加工效率的同时，提升加工精度。
关键词：叶片零件；数控加工；刀具；刀路轨迹
叶片零件作为动力机械装置中重要的组成部分，其加工质量和精度一直受到业界的关注。相对于其他制造技术而言，利用数控加工技术进行叶片零件制造具有显著的优势，加工效率和加工精度都较高。在数控加工中，刀具与零件直接接触，可见刀具的选择至关重要。尤其是对于叶片零件而言，其加工难度更大，叶片在不同的工作环境中会呈现不同的几何形态，叶身的曲面较为复杂，叶根种类较多，在刀具运行过程中还需要考虑是否会对其他结构面产生影响。刀具的材料、结构、几何尺寸等都关系到零件的加工质量和加工精度，通过对叶片零件的结构、种类和工艺特点的分析，利用相应的软件对加工中的刀路轨迹、残留量、切削力、刀路轨迹时间等进行仿真实验，可选出满足叶片零件加工需求的最佳刀具。刀具的选择关系到数控加工的成本、效率、质量和精度，也是我国机械加工领域技术优化的重要途径，在促进机械加工行业发展中具有重要的经济效益和社会效益。
1、叶片零件的结构形态与材料
叶片零件在不同的应用场景中有不同的种类，一般叶片的叶身曲面都比较复杂，通过对叶片零件的结构形态和材料进行分析，可为叶片零件的数控加工刀具选择提供参考。
1.1 叶片的结构形态
根据应用的场景与功能的不同，叶片零件会有不同的结构形态。下面主要对叶片较为常见的结构形态进行分析，包括叶身、叶根、叶冠与阻尼台。叶身一般呈现三维空间的曲面，因为在工作状态时叶身直接接触气流，对气体进行压缩或者膨胀，所以叶身的加工精度以及表面的粗糙度对动力装置的性能有很大的影响。叶根是叶片与叶盘连接的重要部位，其主要作用是强化叶片的刚性和强度，保证叶片在工作状态时的稳定性。在叶片加工中，叶根是相对较为简单的部分，设计理念也追求简单，便于装配。叶冠位于涡轮转子叶片的顶端，其主要作用是减少气流的损失，提高工作效率，抑制叶片在工作状态时的振动幅度，叶冠形状一般会采用平行四边形或者锯齿形。阻尼台的作用主要是增强叶身的强度，以减少叶身在工作状态时产生的振动。
1.2 叶片的材料
因为叶片零件一般应用于动力装置中，需要依靠叶片的高速旋转将动能转化为机械能，所以工作环境一般都具有较高的温度，且工作载荷较大。为了保证运转性能和工作效率，对叶片零件的制造材料有一定的要求，需要具有较好的物理和化学性，比如强度、抗冲击能力、耐腐蚀、高温疲劳性能、化学稳定性等，以便能够在复杂的工作环境中高效运转，同时保证自身结构的稳定性。不同的工作场合对叶片零件的机械性能有不同的要求，在选择叶片材料时需要根据实际需求而定。比如低于 2 500 ℃的环境中应选择铝合金材料，2 500 ～ 4 500 ℃的环境中应选择钛合金材料，高于 4 500 ℃的环境应选择不锈钢 [1]。相对于其他材料而言，钛合金在高温下具有较好的疲劳强度拉伸性、蠕变强度和拉伸性，且钛合金的质量较强，多用于我国的航空发动机叶片制造中。
2、叶片零件数控加工特点
通过对叶片零件的结构分析，能够总结出叶片零件在数控加工中的工艺特点，主要从以下几个方面进行阐述。
2.1 加工区域和夹具约束对刀具的干涉
叶片零件的叶身结构较为复杂，在数控加工中刀具的路径轨迹不仅会受到叶身复杂曲面的影响，还会受到夹具的约束，这会严重限制刀具的种类和结构类型。在编制叶片零件加工工艺时，对于刀具的路径轨迹要充分考虑到叶片结构对刀具的干涉。比如在加工叶片连接部位时，刀具的刀杆极易发生加工干涉现象，而在加工叶身曲面时也容易出现过切和欠切的现象，这些都是由于叶片自身结构对刀具路径轨迹的影响。因此，在选择刀具时，需要充分考虑到这些特点，然后选择适宜的刀具种类和结构。
2.2 刀具轨迹复杂
刀具的轨迹关系到加工效率和加工质量，而刀具轨迹的编制是根据工件的形状和结构而确定的。叶片零件的叶身曲面较为复杂，在数控加工中还会受到叶片自身尺寸的影响，对于尺寸较小的叶片零件，刀具的加工区域受限，会增加加工的难度。在加工叶片时，处于不同的加工阶段，刀具的轨迹会受到不同的影响，尤其是在精加工阶段，刀具的轨迹会更加接近叶身曲面的形状，刀具的轨迹也会更加复杂。在加工叶身与叶根相交部位时，在空间和加工精度的影响下，也会增加刀具运行轨迹的难度 [2]。
2.3 加工过程中的受力情况复杂
根据加工对象的结构和刚度不同，刀具的运行速度、受力情况也会存在较大的差异。因为叶片零件的叶身曲面结构较为复杂，所以在数控加工时需要频繁变换刀具的刀轴姿态和速度。在加工叶身的进气边和排气边时，曲线的曲率有较大的变化，刀具的受力也会随之发生剧烈的变化。大部分叶片零件的叶身结构都比较薄，刚度较弱，并且叶身的刚度分布不均，在加工时受到刀具受力和速度的影响，可能产生变形现象，直接影响叶片的加工精度。
2.4 加工时间长
因为叶片零件的结构复杂，所以数控加工时间较长。对于整料毛坯的叶片加工，在粗加工阶段的金属去除量较大，会耗费较长的时间。在半精加工阶段，需要去除粗加工阶段的残余部分，刀具的切入和切出步骤增加，进一步增加加工时间。在精加工阶段，为了保证加工精度，需要选择直径较小的刀具，在结构较为复杂的曲面叶身加工中，还会经常变化刀轴姿态，受到加工区域轮廓的限制，势必会耗费大量的时间。加上其他的辅助加工，相对于其他工件而言，叶片的加工时间较长。
3、叶片零件数控加工刀具的选择
刀具作为数控加工的重要工具，直接关系到叶片零件加工的效率和质量，在选择刀具时要与加工对象的特征相匹配。通过对叶片零件结构、材料和加工工艺的分析，可以总结出叶片零件数控加工中对刀具的要求。刀具的结构和类型要能够满足叶片在不同加工阶段的切削需求，在不同的加工姿态下刀具在切削过程中都要有较强的稳定性，刀具的切削性能和效率能够满足叶片在不同加工阶段的需求。此外，刀具还应该具备互换性好，规格统一，便于管理等特点，具体如下。
3.1 刀具材料的选择
在数控加工中刀具直接与工件接触，在高速转动过程中由于摩擦会产生大量的热量，刀具还需要完成大量的切削加工，刀具材料需要在硬度、刚度、导热性等方面达到一定的要求。根据工件的特征，还需要对刀具材料的其他物理性能和化学性能进行选择，以确保工件的加工效率和加工质量，对于刀具材料的选择可从以下几个方面考虑。
刀具材料选择需要满足力学性能的匹配性，在叶片零件的粗加工阶段，刀具需要完成大量的金属去除工作，因此刀具材料的硬度要高于工件材料的硬度，才能够满足切削需求。在保证硬度的同时，还要考虑到材料的韧性，防止刀具断裂；为了减少在加工中刀具与工件摩擦升温而产生变形，刀具材料要具有较好的导热性能；为了防止刀具和工件出现黏结和扩散磨损的现象，应该考虑到刀具材料与工件材料之间的抗扩散性、化学反应和亲和性，需要结合工件材料来选择适宜的刀具材料 [3]。在选择刀具材料时，还需要结合加工工艺的特点、刀具材料的成本、加工精度的需求等各项因素，最终选择最适宜的刀具材料。
3.2 刀具的结构和形状选择
选择刀具类型时，需要结合叶片零件在数控加工的不同阶段所呈现的形状特征和加工精度需求来确定，以叶片零件不同加工阶段的加工工序为依据，大致阐述刀具类型的选择。
（1）叶身加工刀具选择。在叶身粗加工阶段，叶盆曲面的内凹轮廓是影响刀具半径的主要因素，在叶身曲面不过切的情况下，尽量选择半径较大的刀具。如果采用型腔铣的方法，可以将叶身分为两部分进行翻面铣削。刀具可以选择半径较大、刚性较好的可转位类型的刀具。如果选择以两次铣削的方式去除余量，可以选用半径较小的整体式立铣刀。如果叶片零件没有叶冠和阻尼台，而且叶身毛坯的加工余量较大，可以采用插铣的方法，选用插铣刀进行粗加工。
叶身粗加工后，已经呈现出大致的轮廓，可以进行半精加工。在半精加工阶段可根据叶身半径的不同选择不同的刀具类型，如果选择翻面加工叶身，可以选用整体球头铣刀和可转位的球头铣刀。如果选择从叶身顶部螺旋铣削到椽板残留量处，可选用端铣刀。
在叶身精加工阶段，因为刀具的运行轨迹基本与叶身形状一致，所以选择的刀具半径要小于叶身内凹轮廓，可根据叶身尺寸选择适宜半径的球头铣刀。
（2）叶根加工刀具选择。因为叶根粗加工的余量较大，所以可以选择半径较大的可转位立铣刀或者立铣刀。在叶根半精加工阶段，由于加工区域空间受限，应该选用半径较小的立铣刀或者球头铣刀。叶根精加工阶段主要是对叶根与椽板连接处的斜面、圆角、桦
根连接处的圆角加工，两个圆的半径都较小，因此要选用半径更小的球头铣刀 [4]。
（3）清根加工刀具选择。在清根加工阶段，为了避免主轴、刀具与叶身发生加工干涉，可以通过调整刀具的刀轴倾角进行防范。对于叶身与椽板连接处的圆角以及椽板面的精铣，应选用半径较小的整体硬质合金球头铣刀。
3.3 刀具的几何参数选择
选择刀具的几何参数时应该根据工件的形状、尺寸来确定，同时，还应该满足相应的原则。为了防止加工过程中刀具与工件之间发生碰撞，应该遵循无干涉原则，通过工件加工方案和刀具运行轨迹的比较分析，选择适宜的刀具，避免出现刀具断裂或者零件报废的现象。根据工件加工精度的需求，刀具几何参数的选择要在满足精度的基础上，控制加工成本，保证加工效率。
（1）刀具角度选择。刀具角度的选择关系到数控加工的效率、质量和成本，以铝合金材料的刀具为例，在叶片的粗加工阶段，因为金属去除量较大，为了提高切削效率，可以选择前角和后角都较小的刀具。如果切削速度和进给精度都能够保证，适当增加前角可以减少加工成本。在叶片半精加工和精加工阶段，适当增加前角和后角，可以减少加工中的形变，以提升叶片表面的加工精度。在选择螺旋角时，因为后刀面切削刃有一定的角度，在切削的过程中会产生较大的切屑层。为了减少切屑对叶片表面加工精度的影响，在粗加工时选择较小的螺旋角，以便切屑的排出，在半精和精加工时可选择较大的螺旋角 [5]。
（2）刀具刃数选择。铣刀的刃数不同，用途也不同，每种刃数的铣刀都有各自的优缺点，因此要根据加工工件的结构特征、不同阶段选择适宜的刀具。在叶片的粗加工阶段，有较大的金属去除量，一般会选用两刃类型的刀具，有较大的容屑空间，也易排出切屑。在叶片半精和精加工阶段，对加工精度有较高要求，一般会选用四刃类型的刀具，具有较好的刚性，工件的表面光洁度也较好。
4、结束语
为了保证叶片零件的使用性能、加工效率和加工精度，要根据叶片零件的结构、功能、加工工艺等特点，总结出加工叶片零件所需数控铣削刀具的种类、材料和结构。根据具体的加工需求，对刀具的形状、几何尺寸、结构特征进行选择，最终优选出与叶片零件匹配的最佳刀具，以确保叶片零件加工效率和质量。
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