航天发动机叶片铣削工艺优化探究

须 麒 徐留明

（钟山职业技术学院,南京 210049）

航天发动机叶片长期处于高压高温工作状态，因此叶片质量和加工精度会对航天发动机使用寿命和安全性产生直接影响。在制作航天发动机叶片的过程中，需要对制造材料和加工工艺进行深入研究，以此达到提升叶片质量的目的。航天发动机叶片加工十分复杂，传统加工工艺很难确保加工精度和产品良率。随着信息化技术的发展，数控加工机床在航空工业中得到了广泛应用。特别是多轴联动型数控机床，凭借着高灵敏性和高精度优势，在航天发动机叶片铣削工艺中扮演着关键角色。设计人员以多轴联动数控机床为基础，依据叶片铣削加工难点，对叶片铣削工艺参数进行优化。

1 航天发动机叶片制备工艺优化

1.1 加工难点

航天发动机工作环境恶劣且长时间处于高强度工作状态，为了确保叶片零件具有很好的稳定性和安全性，通常会使用钛合金或高温合金等金属性能优异的材料。在制作工艺方面，它以铸造和铣削为主。该零件的技术参数要求极为严苛，因此叶片制备工艺难度大。第一，叶片内部结构复杂，叶身上通常带有扭转角度，同时为了提升叶片强度，通常会在分型面上增设加强筋[1]。第二，叶片属于薄壁零件，加工过程中如果铣削力度控制不好，可能会造成叶片变形或破损。第三，叶片的排气边和进气边余量很小，在铣削过程中容易出现过切问题。第四，该零件加工精度要求严格，叶片轮廓的余量需要控制在±0.05 mm 内，且需要保证叶片表面光滑、无刀痕。

1.2 加工参数调整流程

明确航天发动机叶片加工难点后，需要明确铣削加工参数调整流程。结合航天发动机叶片的实际需求，决定采用“测量+数控”的方式优化叶片铣削工艺。第一，设计人员依据航天发动机叶片设计理论，利用UG 系统中的CAM 模块，模拟叶片铣削刀具的行进轨迹，利用多轴加工处理器导出刀具实际的NC 程序。第二，利用VERICTU 仿真程序，在虚拟环境中搭建多轴联动数控机床，并在该环境中创建工件夹具和叶片毛坯，在虚拟环境中执行叶片切削加工动作，检查铣削加工程序的正确性，并对其进行碰撞检测。第三，准备环节。核对数控机床的坐标系，校正家具的位置和铣削加工刀具实际位置，提升数控机床加工精度，建立叶片铣削加工坐标系。第四，正式开始模拟铣削加工时，设计人员需要先针对叶片毛坯建立坐标系，并对榫头进行粗加工与精加工。第五，精加工叶片毛坯后，检查其表面。以榫头为基准匹配模型设计坐标系和零件，再通过海克斯康坐标测量装置，对比新加工前后叶片加工精度，进而得出多工况情况下航天发动机叶片型面余量数据。

在此基础上优化调整叶片铣削加工工艺参数，利用神经网络预测模型，在铣削工艺参数与发动机叶片型面加工精度之间构建映射关系，在模拟系统中调整工艺参数，观察其对于叶片加工精度的影响。首先，收集实验数据，为模型训练提供数据基础，并利用数学方法提升数据可靠性。其次，利用Pycharm 软件构建预测模型，将实验数据输入该预测模型，为模型的运行计算提供基础数据。最后，根据Pycharm 软件计算得出的铣削工艺参数调整量，对叶片毛坯进行加工实验，利用海克斯康坐标测量装置对比各种工况下的切削工艺参数调整结果，选择其中最稳定的参数组合，并对其进行验证。

2 航天发动机叶片铣削加工方式优化

2.1 刀具选择

航天发动机内部的叶片零件为曲面结构，在实际切削过程中很容易出现过切、刀具干涉等问题。前者主要发生在叶片曲面的凸面一侧。在设定好的刀具行进轨迹中，由于两个刀具与叶片凸面接触点距离过大，导致两点之间的部位出现过切。后者主要出现在叶片凹面，原因在于刀具行进曲率大于叶片局部曲率，导致叶片在切削过程中切掉过量材料。因此，需根据实际加工要求，灵活选择刀具类型[2]。

（1）立铣刀。立铣刀主要通过底刃与侧刃进行切削。刀具行进过程中处于快速旋转状态，通过与待加工零件的接触去除零件多余部位。立铣刀的底刃通常被用作平面铣削，侧刃被用作零件的侧壁铣削。该类型刀具主要用于大量材料的粗加工，缺陷在于无法对零件的圆角和曲面进行精加工。

（2）球头铣刀。球头铣刀的优势在于对代加工零件的干涉较小，具有高加工精度。但是，这种刀具是在球面上进行切削，因此不适用于对大量材料进行切除工作。

（3）环形铣刀。环形铣刀造型十分独特，类似于立铣刀与球头铣刀的综合。这种刀具适用范围较广，多被用来进行大型平面铣削和大型曲面铣削，但不适合对小型零件进行精加工。

以上3 种铣刀是常用的航天发动机叶片铣削刀具。在本次实验中，工作人员根据叶片毛料特点和铣削工艺要求，决定采用“立铣刀+球头铣刀”组合，即先使用立铣刀对叶片的榫头位置进行粗加工，之后利用立铣刀去除叶片型面多余材料，再更换球头铣刀精加工叶片的细节，进而完成铣削作业。

2.2 刀具铣削方式优化

想要提升航天发动机叶片铣削加工质量，重点是优化刀具行进路线和刀具与叶片接触点。优化刀具与叶片接触点的主要作用是降低叶片表面粗糙度，而对刀具行进路线进行优化的主要作用是避免出现过切问题。本次实验中，设计人员以这两方面为基础优化刀具铣削方式。

2.2.1 刀具与叶片触点优化

铣削刀具的行进路径可以看作是若干个刀具与叶片接触点的集合。因此，设计人员将刀具的运动轨迹定义为C(i,j)，在刀具运动轨迹上取两个刀具与叶片的接触点P(i,j)和P(i,j+1)，且保证这两个点相邻。将两个接触点之间的距离设为L，并将这两个接触点之间的弦长误差设定为ε。接触点P(i,j)沿着铣削方向的曲率半径为ρ(i,j)，接触点P(i,j+1)的曲率半径为ρ(i,j+1)。实际铣削工作过程中，刀具与叶片接触点之间的距离较小。因此，本次设计中，工作人员将接触点曲率半径视为近似相等，得到ρ(i,j)=ρ(i,j+1)，如图1 所示[3]。

刀具与叶片相邻接触点的铣削加工步长数值L可表示为：

实际进行铣削精加工过程中，刀具与叶片接触点的取点十分密集，因此可以将刀具与叶片相邻接触点之间的步距视为一个凸面弧长，得到该步距在刀具移动轨迹上的积分。

2.2.2 刀具行进路径优化

两条相邻刀具行进路径之间的切割带的宽度大小，要经过残差h和有效切割半径R的计算得出。本次设计中，工作人员选择叶片上同一个截面的两条相邻的刀具与叶片的接触点进行分析研究，分别为C(i,j)和C(i,j+1)。将这两条相邻刀具行进路径上刀具与叶片接触点的切削半径设定为R(i,j)和R(i,j+1)，将刀具与叶片接触点的曲率半径设定为ρ(i,j)和ρ(i,j+1)，同时将相邻刀具行进路径上刀具与叶片接触点之间的有效行距设定为dw。实际进行叶片铣削加工时，刀具与叶片相邻接触点之间的距离很小，因此可以将曲率半径视为相等。在使用球头铣刀对叶片的某一个截面进行精加工的过程中，刀具行进路径上刀具与叶片的接触点的切削半径也基本相同，如图2 所示。

根据相邻刀具行进路径行距关系，工作人员得出叶片毛坯切削残留高度与切削高度之间的关系为：

使用三角形的余弦定理计算叶片的曲率半径和有效切削半径：

根据式（4）可以得到叶片的切削加工残留高度、曲率半径以及有效切削半径数据。实际切削时，叶片残留较少，因此在计算过程中为了使计算变得更加简便，可以忽略残差h，得到：

因此，可以通过调整铣削参数提升加工精度，并为刀具行进参数的优化提供数据基础。

2.3 构建刀具模型及设定刀具行进路径

航天发动机叶片零件具有一定的特殊性，因此从设计到制作再到组装的整个过程要严格保密。本次实验的研究对象是某型号航天发动机叶片的局部模型。由于保密要求，叶冠和阻尼台等部位的结构被隐藏，仅针对叶身进行设计。设计人员结合叶片加工需求和现场实际情况，对叶片的叶身部位进行建模。

依据曲面理论数据模型，设计人员使用UG 软件对航天发动机叶片的曲面进行二次设计，利用UG 软件完成对叶片局部的建模。第一，使用建模模块中的草图功能，基于叶片模型绘制榫头的平面图，并使用拉伸功能对榫头进行三维建模。第二，通过UG 软件中内建的曲面模块，实现对发动机叶片叶身部位的建模。第三，以实际的叶片毛坯材料为基础，在UG 系统中输入叶片毛坯尺寸参数，并对叶片模型的大小进行等比例调节，得出叶身三维模型图。

2.3.1 榫头加工

在叶片铣削加工过程中，叶片加工面的基准定位通常以榫头的位置为准，因此对榫头加工精度的控制会对叶片型面的加工精度产生直接影响。本次实验中，工作人员利用型腔铣削模块中的粗加工技术切削叶片榫头。为了确保粗加工的精度符合生产标准，需要使用大直径的四刃立铣刀切削榫头，并严格控制每齿进给量，确保在不发生刀具干涉和过切问题的基础上有效切削加工叶片的毛坯叶片。对于经过立铣刀粗加工得到的叶片零件，使用刀具的侧刃对其进行精加工，并根据叶片的实际尺寸，选择合适的刀具快速去除叶片毛坯榫头部位的多余材料[4]。

确定了榫头部位的粗加工和精加工工序后，设计人员调整刀具的行进轨迹参数，具体包括刀具切削运动、非切削运动以及切削参数等。借助这种方式对刀具行进的步距、切削深度、刀具主轴转速以及每齿进给量进行灵活调整，可使刀具行进轨迹和切削动作变得更加精确。

2.3.2 叶身粗加工

对叶身毛坯进行粗加工的主要目的是在短时间内切除大量的叶片毛坯多余材料。这一步骤与榫头的粗加工目的一致。针对叶身，设计人员利用大直径立铣刀对其进行粗加工，确保设定的刀具行进与铣削参数与实际工作一致，尽可能减少叶片型面剩余量。

2.3.3 叶身精加工

针对叶身进行的精加工是本次实验的研究重点，也是优化铣削加工参数的核心意义所在。该环节作为叶片加工整个流程中的最后一个环节，其参数设定的合理性直接影响叶片加工精度和产品质量。本次实验中使用可变轮廓铣削模块，铣削的范围依据叶片毛坯的实际数据进行调节。针对刀具行进路径的调整，要根据收集数据的类型来确认。例如，铣削加工模式为单向加工，则在调整刀具行进路径过程中可以使用连续螺旋加工模式。此外，依据刀具与叶片相邻接触点之间的步距，合理划定铣削范围和刀具的型号。本次实验中使用小直径的球形刀具，确保加工后叶片型面的残留高度要小于1 mm，同时确保叶片表面的光滑程度符合产品质量需求。

3 航天发动机叶片球头铣刀铣削力建模

3.1 球头铣刀几何特点分析

构建球头铣刀的铣削力模型过程中，设计人员需要对球头铣刀与叶片毛坯各个接触点的受力状态进行深入分析，并以球头铣刀的球心圆点为基础建立坐标系，如图3 所示。

依据叶片铣削实际需求，实验中采用的球头铣刀为两刃刀具。将刀具的半径设为R，螺旋角度为i0，确保球头刀具的切削刃位于刀体的表面。

依据刀具的实际参数，设计人员将球头铣刀与叶片接触点设为P。以点P为基准，沿着球头铣刀坐标系中z轴负方向，将点P与球头铣刀底端之间的距离设为z0。将P点水平投影到z轴的距离设定为切削半径R0，沿着z轴负方向的球头刀具仰角为κ和球头铣刀坐标系中各个变量之间的关系，可以得出切削半径计算公式：

球头刀具仰角κ的三角关系为：

在式（6）和式（7）中，0 ≤z0≤R代表球头铣刀与叶片毛坯的接触点需要保持在球头上，而z0≥R则表示需要用球头铣刀的侧刃进行铣削工作[5]。依据球头铣刀的特点，刀刃与刀具表面之间存在一个螺旋角度。启动刀具后，球头刀具与叶片毛坯之间的接触可以视为一种斜角切削。设计人员将刀刃倾角设定为λs，则可以得到：

3.2 铣削力建模

利用球头铣刀进行材料切削工作时，与叶片毛坯材料相接触的部分为侧刃与球头，其中球头是主要使用的刀具。设计人员根据球头铣刀的坐标系，以球头刀具的顶端为基点，将切削部分的切入深度设定为αp，沿着切入方向的切削向量为U=(ux,uy,uz)，将叶片毛坯每齿进给量设定为f=(fx,fy,fz)，保证进给方向与球头刀具的切削方向相同，可以得出计算切削力的公式：

根据式（9）即可计算得出球头刀具切削力。

4 结语

航天发动机工作环境恶劣，为了确保航天发动机能够稳定、安全工作，需要优化与完善发动机叶片铣削工艺，利用多轴数控机床，灵活调整刀具的类型、行进路径以及铣削参数等信息，确保叶片表面光滑、完整，符合使用要求，从而为航天事业的发展提供技术支持。