數控加工中葉片零件特征及切削刀具的選擇研究
2023-12-5 來源：新疆應用職業技術學院 作者：安東亮，何歡歡
摘要：葉片作為航空發動機、汽輪機等動力機械中重要的工作零件，葉片零件的加工質量直接影響動力裝置的使用壽命和性能。在實際加工過程中，葉片零件的結構形狀差異較大，種類多，加工工藝復雜，對加工質量和加工精度要求高等特點，直接增加了數控加工的難度。根據葉片零件加工特點，在數控銑削加工中選擇適合的刀具，既能夠降低加工成本，又可提高加工效率和質量。對此，文章首先從葉片結構和材料方面闡述了數控加工中葉片零件的特征，然后分析了葉片零件的數控加工特點，說明葉片零件加工的特殊性，明確在葉片加工中刀具選擇的重要性，最后針對葉片零件特征對數控加工中如何選擇刀具種類進行論述，主要從刀具的結構、材料和幾何參數進行分析。選擇適宜的加工刀具，滿足葉片零件的加工需求，在保證加工效率的同時，提升加工精度。
關鍵詞：葉片零件；數控加工；刀具；刀路軌跡
葉片零件作為動力機械裝置中重要的組成部分，其加工質量和精度一直受到業界的關注。相對于其他制造技術而言，利用數控加工技術進行葉片零件制造具有顯著的優勢，加工效率和加工精度都較高。在數控加工中，刀具與零件直接接觸，可見刀具的選擇至關重要。尤其是對于葉片零件而言，其加工難度更大，葉片在不同的工作環境中會呈現不同的幾何形態，葉身的曲面較為復雜，葉根種類較多，在刀具運行過程中還需要考慮是否會對其他結構面產生影響。刀具的材料、結構、幾何尺寸等都關系到零件的加工質量和加工精度，通過對葉片零件的結構、種類和工藝特點的分析，利用相應的軟件對加工中的刀路軌跡、殘留量、切削力、刀路軌跡時間等進行仿真實驗，可選出滿足葉片零件加工需求的最佳刀具。刀具的選擇關系到數控加工的成本、效率、質量和精度，也是我國機械加工領域技術優化的重要途徑，在促進機械加工行業發展中具有重要的經濟效益和社會效益。
1、葉片零件的結構形態與材料
葉片零件在不同的應用場景中有不同的種類，一般葉片的葉身曲面都比較復雜，通過對葉片零件的結構形態和材料進行分析，可為葉片零件的數控加工刀具選擇提供參考。
1.1 葉片的結構形態
根據應用的場景與功能的不同，葉片零件會有不同的結構形態。下面主要對葉片較為常見的結構形態進行分析，包括葉身、葉根、葉冠與阻尼臺。葉身一般呈現三維空間的曲面，因為在工作狀態時葉身直接接觸氣流，對氣體進行壓縮或者膨脹，所以葉身的加工精度以及表面的粗糙度對動力裝置的性能有很大的影響。葉根是葉片與葉盤連接的重要部位，其主要作用是強化葉片的剛性和強度，保證葉片在工作狀態時的穩定性。在葉片加工中，葉根是相對較為簡單的部分，設計理念也追求簡單，便于裝配。葉冠位于渦輪轉子葉片的頂端，其主要作用是減少氣流的損失，提高工作效率，抑制葉片在工作狀態時的振動幅度，葉冠形狀一般會采用平行四邊形或者鋸齒形。阻尼臺的作用主要是增強葉身的強度，以減少葉身在工作狀態時產生的振動。
1.2 葉片的材料
因為葉片零件一般應用于動力裝置中，需要依靠葉片的高速旋轉將動能轉化為機械能，所以工作環境一般都具有較高的溫度，且工作載荷較大。為了保證運轉性能和工作效率，對葉片零件的制造材料有一定的要求，需要具有較好的物理和化學性，比如強度、抗沖擊能力、耐腐蝕、高溫疲勞性能、化學穩定性等，以便能夠在復雜的工作環境中高效運轉，同時保證自身結構的穩定性。不同的工作場合對葉片零件的機械性能有不同的要求，在選擇葉片材料時需要根據實際需求而定。比如低于 2 500 ℃的環境中應選擇鋁合金材料，2 500 ～ 4 500 ℃的環境中應選擇鈦合金材料，高于 4 500 ℃的環境應選擇不銹鋼 [1]。相對于其他材料而言，鈦合金在高溫下具有較好的疲勞強度拉伸性、蠕變強度和拉伸性，且鈦合金的質量較強，多用于我國的航空發動機葉片制造中。
2、葉片零件數控加工特點
通過對葉片零件的結構分析，能夠總結出葉片零件在數控加工中的工藝特點，主要從以下幾個方面進行闡述。
2.1 加工區域和夾具約束對刀具的干涉
葉片零件的葉身結構較為復雜，在數控加工中刀具的路徑軌跡不僅會受到葉身復雜曲面的影響，還會受到夾具的約束，這會嚴重限制刀具的種類和結構類型。在編制葉片零件加工工藝時，對于刀具的路徑軌跡要充分考慮到葉片結構對刀具的干涉。比如在加工葉片連接部位時，刀具的刀桿極易發生加工干涉現象，而在加工葉身曲面時也容易出現過切和欠切的現象，這些都是由于葉片自身結構對刀具路徑軌跡的影響。因此，在選擇刀具時，需要充分考慮到這些特點，然后選擇適宜的刀具種類和結構。
2.2 刀具軌跡復雜
刀具的軌跡關系到加工效率和加工質量，而刀具軌跡的編制是根據工件的形狀和結構而確定的。葉片零件的葉身曲面較為復雜，在數控加工中還會受到葉片自身尺寸的影響，對于尺寸較小的葉片零件，刀具的加工區域受限，會增加加工的難度。在加工葉片時，處于不同的加工階段，刀具的軌跡會受到不同的影響，尤其是在精加工階段，刀具的軌跡會更加接近葉身曲面的形狀，刀具的軌跡也會更加復雜。在加工葉身與葉根相交部位時，在空間和加工精度的影響下，也會增加刀具運行軌跡的難度 [2]。
2.3 加工過程中的受力情況復雜
根據加工對象的結構和剛度不同，刀具的運行速度、受力情況也會存在較大的差異。因為葉片零件的葉身曲面結構較為復雜，所以在數控加工時需要頻繁變換刀具的刀軸姿態和速度。在加工葉身的進氣邊和排氣邊時，曲線的曲率有較大的變化，刀具的受力也會隨之發生劇烈的變化。大部分葉片零件的葉身結構都比較薄，剛度較弱，并且葉身的剛度分布不均，在加工時受到刀具受力和速度的影響，可能產生變形現象，直接影響葉片的加工精度。
2.4 加工時間長
因為葉片零件的結構復雜，所以數控加工時間較長。對于整料毛坯的葉片加工，在粗加工階段的金屬去除量較大，會耗費較長的時間。在半精加工階段，需要去除粗加工階段的殘余部分，刀具的切入和切出步驟增加，進一步增加加工時間。在精加工階段，為了保證加工精度，需要選擇直徑較小的刀具，在結構較為復雜的曲面葉身加工中，還會經常變化刀軸姿態，受到加工區域輪廓的限制，勢必會耗費大量的時間。加上其他的輔助加工，相對于其他工件而言，葉片的加工時間較長。
3、葉片零件數控加工刀具的選擇
刀具作為數控加工的重要工具，直接關系到葉片零件加工的效率和質量，在選擇刀具時要與加工對象的特征相匹配。通過對葉片零件結構、材料和加工工藝的分析，可以總結出葉片零件數控加工中對刀具的要求。刀具的結構和類型要能夠滿足葉片在不同加工階段的切削需求，在不同的加工姿態下刀具在切削過程中都要有較強的穩定性，刀具的切削性能和效率能夠滿足葉片在不同加工階段的需求。此外，刀具還應該具備互換性好，規格統一，便于管理等特點，具體如下。
3.1 刀具材料的選擇
在數控加工中刀具直接與工件接觸，在高速轉動過程中由于摩擦會產生大量的熱量，刀具還需要完成大量的切削加工，刀具材料需要在硬度、剛度、導熱性等方面達到一定的要求。根據工件的特征，還需要對刀具材料的其他物理性能和化學性能進行選擇，以確保工件的加工效率和加工質量，對于刀具材料的選擇可從以下幾個方面考慮。
刀具材料選擇需要滿足力學性能的匹配性，在葉片零件的粗加工階段，刀具需要完成大量的金屬去除工作，因此刀具材料的硬度要高于工件材料的硬度，才能夠滿足切削需求。在保證硬度的同時，還要考慮到材料的韌性，防止刀具斷裂；為了減少在加工中刀具與工件摩擦升溫而產生變形，刀具材料要具有較好的導熱性能；為了防止刀具和工件出現黏結和擴散磨損的現象，應該考慮到刀具材料與工件材料之間的抗擴散性、化學反應和親和性，需要結合工件材料來選擇適宜的刀具材料 [3]。在選擇刀具材料時，還需要結合加工工藝的特點、刀具材料的成本、加工精度的需求等各項因素，最終選擇最適宜的刀具材料。
3.2 刀具的結構和形狀選擇
選擇刀具類型時，需要結合葉片零件在數控加工的不同階段所呈現的形狀特征和加工精度需求來確定，以葉片零件不同加工階段的加工工序為依據，大致闡述刀具類型的選擇。
（1）葉身加工刀具選擇。在葉身粗加工階段，葉盆曲面的內凹輪廓是影響刀具半徑的主要因素，在葉身曲面不過切的情況下，盡量選擇半徑較大的刀具。如果采用型腔銑的方法，可以將葉身分為兩部分進行翻面銑削。刀具可以選擇半徑較大、剛性較好的可轉位類型的刀具。如果選擇以兩次銑削的方式去除余量，可以選用半徑較小的整體式立銑刀。如果葉片零件沒有葉冠和阻尼臺，而且葉身毛坯的加工余量較大，可以采用插銑的方法，選用插銑刀進行粗加工。
葉身粗加工后，已經呈現出大致的輪廓，可以進行半精加工。在半精加工階段可根據葉身半徑的不同選擇不同的刀具類型，如果選擇翻面加工葉身，可以選用整體球頭銑刀和可轉位的球頭銑刀。如果選擇從葉身頂部螺旋銑削到椽板殘留量處，可選用端銑刀。
在葉身精加工階段，因為刀具的運行軌跡基本與葉身形狀一致，所以選擇的刀具半徑要小于葉身內凹輪廓，可根據葉身尺寸選擇適宜半徑的球頭銑刀。
（2）葉根加工刀具選擇。因為葉根粗加工的余量較大，所以可以選擇半徑較大的可轉位立銑刀或者立銑刀。在葉根半精加工階段，由于加工區域空間受限，應該選用半徑較小的立銑刀或者球頭銑刀。葉根精加工階段主要是對葉根與椽板連接處的斜面、圓角、樺
根連接處的圓角加工，兩個圓的半徑都較小，因此要選用半徑更小的球頭銑刀 [4]。
（3）清根加工刀具選擇。在清根加工階段，為了避免主軸、刀具與葉身發生加工干涉，可以通過調整刀具的刀軸傾角進行防范。對于葉身與椽板連接處的圓角以及椽板面的精銑，應選用半徑較小的整體硬質合金球頭銑刀。
3.3 刀具的幾何參數選擇
選擇刀具的幾何參數時應該根據工件的形狀、尺寸來確定，同時，還應該滿足相應的原則。為了防止加工過程中刀具與工件之間發生碰撞，應該遵循無干涉原則，通過工件加工方案和刀具運行軌跡的比較分析，選擇適宜的刀具，避免出現刀具斷裂或者零件報廢的現象。根據工件加工精度的需求，刀具幾何參數的選擇要在滿足精度的基礎上，控制加工成本，保證加工效率。
（1）刀具角度選擇。刀具角度的選擇關系到數控加工的效率、質量和成本，以鋁合金材料的刀具為例，在葉片的粗加工階段，因為金屬去除量較大，為了提高切削效率，可以選擇前角和后角都較小的刀具。如果切削速度和進給精度都能夠保證，適當增加前角可以減少加工成本。在葉片半精加工和精加工階段，適當增加前角和后角，可以減少加工中的形變，以提升葉片表面的加工精度。在選擇螺旋角時，因為后刀面切削刃有一定的角度，在切削的過程中會產生較大的切屑層。為了減少切屑對葉片表面加工精度的影響，在粗加工時選擇較小的螺旋角，以便切屑的排出，在半精和精加工時可選擇較大的螺旋角 [5]。
（2）刀具刃數選擇。銑刀的刃數不同，用途也不同，每種刃數的銑刀都有各自的優缺點，因此要根據加工工件的結構特征、不同階段選擇適宜的刀具。在葉片的粗加工階段，有較大的金屬去除量，一般會選用兩刃類型的刀具，有較大的容屑空間，也易排出切屑。在葉片半精和精加工階段，對加工精度有較高要求，一般會選用四刃類型的刀具，具有較好的剛性，工件的表面光潔度也較好。
4、結束語
為了保證葉片零件的使用性能、加工效率和加工精度，要根據葉片零件的結構、功能、加工工藝等特點，總結出加工葉片零件所需數控銑削刀具的種類、材料和結構。根據具體的加工需求，對刀具的形狀、幾何尺寸、結構特征進行選擇，最終優選出與葉片零件匹配的最佳刀具，以確保葉片零件加工效率和質量。
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