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。
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。

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。
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。
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。

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。

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。
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。

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。
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