航空发动机叶轮的五轴加工和在机测量

概述

航空发动机叶轮构造通常包含轮盘、轮盖以及叶片等，当气体在叶轮叶片的驱动下随叶轮高速转动时，一方面受旋转产生的离心力影响，另一方面在叶轮内部经历扩压流动过程，使得气体在离开叶轮后压力得以提升。叶轮加工以及测量一直是老大难问题，尤其是叶轮的尺寸精度测量，本文采用 Surfmill 软件进行在机测量，通过五轴曲线控制刀轴方向，使测头完美适配叶轮表面角度。最终得到高精度的测量数据，完成了叶轮尺寸精度测量的任务，给类似问题提供了一种解决方案。

2 工艺分析编制及精度管控方案

2.1 案例分析

本节案例叶片共有 6 组，最小圆角 1mm，叶片曲面为直纹面，整体尺寸 Φ80×40mm，模型如图 1 所示。

①加工精度要求a. 叶片面轮廓度公差 0.05mm，叶片厚度公差为 ±0.05mm。b. 叶片及叶根圆角表面光洁、刀纹均匀、无明显振纹；要求高速工作时动平衡好，叶轮使用寿命高。

②加工要求a. 所有叶片曲面的全跳动精度 0 到‑0.2mm。b. 所有叶片的最大尺寸公差为 ±0.01mm。c. 包覆曲面的径向跳动为 0.2mm。d. 叶轮中心孔的圆柱度为 0.02mm。e. 加工时间在 15min 以内。f. 表面不允许有任何磕碰、划伤、毛刺等缺陷。g. 叶轮由 6 组叶片组成，叶片扭曲大，相邻叶片空间小，易发生干涉。

③材料分析叶片毛坯为车削成型的精毛坯，材料为 7075 铝合金，作为 7 系铝合金里的常用合金之一，其强度在常见铝合金中表现最为突出，因而广泛应用于 CNC 切削加工的零部件，尤其适用于飞机构架等对强度要求较高的配件。在加工过程中，需关注刀具磨损情况及刀具粘刀现象。

2.2 确定加工方案

①选择加工方式通过俯视图角度观察叶轮，发现叶轮加工特征复杂多变，三轴加工无法保证加工精度，而且不能有接刀，因此选择采用五轴联动的方式进行加工。

②选择关键刀具本案例中为减小叶片变形，减小切削力，选用刚性强、排屑能力强的两刃锥度球头刀。7075 铝合金材质偏软，选择非涂层刀具即可。利用刀具侧刃及刀尖进行铣削，刀具最小 R 角为 1mm。

③规划工步经过分析，叶轮的叶片曲面为自由曲面，故采用点铣的加工方式进行切削，采用两侧交错分层铣削加工方式，通过左右交错加工，提高铣削过程中薄壁叶片的支撑刚性，另外，按照逐层开粗、逐层精加工的方法进行铣削，不能采用整体开粗留余再进行精加工的方法，保持叶片刚性。

2.3 数字化工艺设计与编程

2.3.1 搭建数字化制造系统

导入数字模型、设置数字加工中心、设置数字几何体、创建数字刀具表、设置几何体安装、创建辅助线面。

2.3.2 编写数字化程序

根据工艺方案，将叶片分成叶片开粗、叶片半精、分流叶片半精、叶片精加工、分流叶片精加工、流道精加工几个步骤。

①叶轮开粗加工程序开粗选择 “分层粗加工” 命令进行加工，这是因为分层粗加工能够以型腔顺序完成流道的开粗加工，切削刀具为锥度球头 Φjd‑10‑1.00，路径间距为 0.8mm，主轴转速为 14000r/min，进给速度 1500mm/min，整体开粗刀路如图 3。

②叶片半精加工程序根据叶片类型，分为直纹面和自由曲面，直纹面叶轮一般采用侧铣法，也就是利用侧刃加工，加工效率高。而自由曲面叶轮常采用点铣法，就是利用刀具的头部加工，加工精度高，但是效率低。综合两种方法，这里选择五轴曲线侧铣法加工。切削刀具采用上一把刀具，叶片底部余量 0.08mm，主轴转速为 17000r/min，进给速度 1000mm/min，半精刀路如图 4。

③分流叶片半精加工程序采用侧铣法，加工区域选择分流叶片，余量、主轴转速、进给速度等都与叶片半精加工相同。由于叶片较薄，刚性不足，若半精和精加工采用分层进行加工，则加工效率低下以及叶片表面效果无法保证，使用多轴侧铣命令可以更好的实现一刀流加工，保证加工效果，如图 5 所示。

④叶片精加工程序加工方法同上一步，只是把余量改为 0，主轴转速为 14000r/min，进给速度 300mm/min。

⑤分流叶片精加工程序分流叶片精加工与叶片精加工相同，同样采用侧铣，将加工叶片改为分流叶片。

⑥流道精加工程序选择 “流道精加工” 命令进行加工，采用点铣法，走刀方式是区域流线。能很好的完成流道精加工，满足技术要求。余量为 0，主轴转速为 12000r/min，进给速度 1000mm/min。

3 成品余量在机测量

在机测量测头的刀轴控制对于叶轮复杂面的测量有 3 种方式，一种传统的测头采用竖直向下的方式进行测量。第二种采用提取叶轮表面五轴曲线的方式进行测量，如图 6 所示为建立的叶片与分流叶片五轴曲线辅助线。第三种方式只是从曲面法向导动控制刀轴的方向下测头。

使用点或者点组命令，采集叶片及分流叶片的点位的数据，通过软件三维拟合出特征曲面，再将拟合出的特征曲面与理论模型进行对比，可以得出叶轮实际的余量和尺寸。采用点组布点命令，测头选择雷尼绍 JD‑5.0。

如图 7 分别通过 3 种测量方式建立的叶轮在机测量程序。

4 虚拟仿真加工验证及上机加工

在加工环境下，选择采用 Surfmill 虚拟仿真线框模拟、实体模拟、加工中心模拟分别对叶轮进行加工仿真，仿真结果显示零件能够满足技术要求。同时采用碰撞仿真与过切检查命令，未发现过切与碰撞。采用精雕机床完成叶轮的加工及 3 种方式的在机测量，同时卸下工件完成离线三坐标测量。

5 加工效果分析

最终完成叶轮零件的加工，运行 3 种在机测量程序分别对比测量结果，一种传统的测头采用竖直向下的方式进行测量，加工中心出现了报错。某些点位可能会有遮挡。采用提取叶轮表面五轴曲线的方式进行测量。可以看出加工的余量尺寸都在公差范围之内。第三种方式只是从曲面法向的方向，但是只能测量叶轮叶片未被其他叶片所遮挡的部分，这种方法不能测的全部的表面，没法得到叶片大部分的尺寸检测。

采用的空间欧拉距离测量偏差值计算得来，如图 8 所示。

图中可以看到通过五轴曲线测量的 53 个点的欧氏距离的偏差值最接近三坐标离线测量。

同时还计算了测量偏差值的标准差，标准差可以反映测量误差的波动情况，值越小说明测量一致性越好。

表 1 3 种测量方案与三坐标测量标准差对比

表格

测量方法	三坐标离线测量	五轴曲线在机测量	竖直下刀在机测量	曲面法向导动在机测量
标准差	0.0004	0.0023	0.0149	0.0060

可以看出五轴曲线的标准差最接近三坐标离线测量，证明测量效果最好。

经过选择本例中采用五轴曲线控制刀轴的方式，对叶轮叶片的测量效果最好，所有加工尺寸均在公差范围内。

通过图中可以看到，采用五轴曲线在机测量的方式跟离线三坐标测量方式中位数和平均数最接近，而采用竖直向下和曲面法向导动方向测量的点位都有些许的偏差值，根据结果反馈，在复杂曲面加工上采用五轴曲线在机测量可以很好的反应曲面的加工尺寸及精度。

对于叶轮的加工表面质量检测，我们还采用粗糙度仪检测加工表面粗糙度值，Ra 0.696μm，Rz 3.223μm， Rmax 3.69μm，RSm 71μm，可以看出到表面粗糙度已经达到图纸要求。

6 结论

通过零件图分析，选择合理的加工方案编制刀路。完成了叶片、分流叶片、流道等特征的加工，叶片的粗糙度仪检测。采用 3 种不同的在机测量方式完成叶片的尺寸测量，结果显示采用五轴曲线测量效果最好，三坐标测量仪的误差最少，在未来的工程应用领域有很大的推广价值。