滿足以f119、f120、ej200為標志的第4代戰(zhàn)斗機用發(fā)動機以及未來高推重比新概念發(fā)動機的性能要求，除采用*技術(shù)以減少飛機機體結(jié)構(gòu)、機載設(shè)備的重量外，需要重點突破發(fā)動機部件的氣動、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料及工藝等方面的關(guān)鍵技術(shù)。其中，在發(fā)動機風扇、壓氣機和渦輪上采用整體葉盤結(jié)構(gòu)是重要措施之一[1]。
如圖1和圖2所示，與傳統(tǒng)的葉片和輪轂裝配結(jié)構(gòu)相比，整體葉盤省去了連接用的榫頭和榫槽，具有大大簡化航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)、顯著提高風扇和壓氣機性能、延長轉(zhuǎn)子使用壽命和可靠性等優(yōu)點。
圖1傳統(tǒng)葉盤
圖2整體葉盤
整體葉盤結(jié)構(gòu)復雜、通道開敞性差、彎扭大，毛坯一般采用鈦合金、高溫合金等難加工材料鍛造而成，制造技術(shù)難度大。傳統(tǒng)加工方法通常采用球頭銑刀進行行切或用圓柱銑刀進行側(cè)銑，加工效率低，刀具磨損嚴重，更有甚者，刀具會受到過大的徑向切削力而折斷，導致制造成本增加。西北工業(yè)大學開展了整體葉盤開槽插銑加工工藝研究[2-3]，該方法與傳統(tǒng)的側(cè)銑開槽粗加工相比，其效率有明顯提高，而且也改變了刀具的受力方向，使其不易折斷，降低了制造成本。南京航空航天大學進行了整體葉盤電解加工技術(shù)的研究[4]，對于通道較窄的整體葉盤，該方法具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，但對于大直徑整體葉盤，由于去除材料量較大，電極與被加工件的接觸面積大，其加工效率大幅降低，同時電解加工容易對環(huán)境產(chǎn)生污染。哈爾濱工業(yè)大學對電火花加工整體葉輪的電極設(shè)計與制造、電極運動軌跡等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究[5]，電火花加工精度和加工穩(wěn)定性較高，但加工速度慢，表面有再鑄層，而且由于電極損耗影響成型精度，需經(jīng)常更換電極或采取其他措施，導致加工速度更慢、加工成本更高。
本文針對小曲率整體葉盤通道的大余量開槽加工，提出了一種復合強力銑加工工藝方法，并對其工藝性能進行相關(guān)試驗研究，旨在驗證該工藝方法的可行性和有效性。
復合強力銑加工工藝方法
復合強力銑加工工藝方法，即盤銑-插銑-側(cè)銑。首先利用開槽粗加工工藝方法即盤銑，對小曲率整體葉盤通道進行大余量切除，如圖3所示；在此基礎(chǔ)上，通過插銑新工藝對盤銑刀不可達區(qū)域進行插銑切除，實現(xiàn)擴槽加工，如圖4所示；zui后，在較小余量的基礎(chǔ)上，通過圓柱銑刀或球頭銑刀進行側(cè)銑或行切，實現(xiàn)葉片型面的精加工及清根，如圖5所示。通過盤銑、插銑、側(cè)銑的有效集成，可大幅度提升小曲率整體葉盤的綜合加工效率，降低制造成本。
圖3盤銑
圖4插銑
圖5側(cè)銑
插銑與盤銑的加工工藝性能對比試驗
在復合強力銑加工中，盤銑和插銑時材料去除量較大，刀具和機床所受切削力較大，所需承受的沖擊載荷也較大。所以需要對加工過程中的切削力和振動狀態(tài)進行測試分析，并比較其加工效率，以便更好地確定切削參數(shù)及所用設(shè)備性能。
（1）試驗設(shè)備、材料及刀具。
在盤銑和插銑的加工工藝試驗中，所需的設(shè)備、材料和刀具主要有：vmc850立式加工中心；320mm臥式銑床；kistler9255b切削力測力儀（圖6）；dewe3010瞬態(tài)信號記錄儀（圖7）；鈦合金tc11試件材料兩塊（100mm×81mm×50mm）；直徑φ=12mm的插銑刀；直徑φ=160mm、切削寬度為14mm、盤銑刀齒數(shù)為14的盤銑刀。
圖6切削力測力儀
圖7瞬態(tài)信號記錄儀
（2）工藝參數(shù)確定。
為了測試切削力及刀具-工件-機床系統(tǒng)的振動性能，同時又能對兩種加工方法的切削效率進行對比分析，設(shè)計了如圖8和圖9所示的鈦合金試件及走刀軌跡。
插銑和盤銑加工試驗的試切數(shù)據(jù)如表1和表2所示。
根據(jù)試件材料性能、刀具參數(shù)、設(shè)備性能，并參考插銑和盤銑的理想經(jīng)驗數(shù)據(jù)，結(jié)合金屬切削計算手冊選擇切削數(shù)據(jù)如下[6-8]：
a.插銑：行距ae=8mm，步距s=3mm，切削深度ap=30mm，主軸轉(zhuǎn)速n=1600r/min，進給速度fz=200mm/min。
b.盤銑：切削寬度ae=14mm，切削深度ap=25mm，主軸轉(zhuǎn)速n=100r/min，進給速度fz=60mm/min。
（3）試驗數(shù)據(jù)采集。
利用測力儀、5019b電荷放大器和瞬態(tài)信號記錄儀記錄x軸、y軸和z軸3個方向上的切削力；將加速度傳感器貼到工件側(cè)壁上間接測量刀具的振動；利用秒表記錄兩種加工工藝所用的切削時間。圖10所示為插銑加工試驗。
圖10插銑加工試驗
試驗結(jié)果分析
1切削力分析
提取3個周期內(nèi)的切削力數(shù)據(jù)，插銑和盤銑在x、y、z3個方向的切削力變化分別如圖11和圖12所示。
由圖11和圖12可知，兩種銑削方式下，3個方向的切削力都在一定的范圍內(nèi)波動，而且呈周期性變化。插銑過程中x軸方向力的變化范圍是[35n，98n]，y軸方向力的變化范圍是[25n，-46n]，z軸方向力的變化范圍是[-55n，-133n]。插銑在z軸方向的切削力zui大，因為在整個插銑過程中，刀具都是沿z軸方向垂直于工件表面進給，刀具受到沿z軸方向的擠壓力。盤銑過程中x軸方向力的變化范圍是[0n，700n]，y軸方向力的變化范圍是[-123n，75n]，z軸方向力的變化范圍是[-50n，532n]。盤銑過程中，因為盤銑刀繞y軸旋轉(zhuǎn)，沿x軸方向進給，所以x軸方向的受力zui大，同時，盤銑刀還要沿z軸方向垂直于工件表面運動來實現(xiàn)給定的切削深度，所以z軸方向的受力也較大。圖13所示為插銑與盤銑的zui大切削力比較，由圖可知，盤銑在3個方向的zui大切削力均大于插銑在3個方向的zui大切削力，在x軸方向上，盤銑的zui大切削力幾乎是插銑的7倍。
2刀具振動分析
通過測量工件振動加速度的大小，可以間接獲得銑削過程中插銑刀和盤銑刀的振動加速度情況。在插銑過程中，刀具在x軸方向的振動范圍為[0.4g，0.7g]，在y軸方向的振動范圍為[10g，-10g]。在盤銑過程中，刀具在x軸方向的振動范圍為[0g，0.14g]，在y軸方向的振動范圍為[20g，-20g]。由此可見，兩種加工方式下，刀具在x軸方向的振動都比較微弱，但在y軸方向上，盤銑刀的振動幾乎是插銑刀的2倍。
3加工效率分析
由銑削加工過程中材料的去除總量和切削所用時間可以計算出單位時間內(nèi)的材料去除率。由表3所列數(shù)據(jù)可知，盤銑的加工效率幾乎是插銑的3倍多。而在整體葉盤通道開槽加工中，材料切除量zui大，占切除總量的90%以上，其對加工效率的綜合提升尤為顯著。
結(jié)束語
針對整體葉盤制造效率低、成本居高不下等問題，本文基于小曲率整體葉盤通道的大余量開槽加工，提出了一種復合強力銑加工工藝，即盤銑-插銑-側(cè)銑，接著對加工過程中的切削力和刀具振動狀態(tài)進行了測試分析并對加工效率做了比較。與插銑工藝相比，盤銑工藝雖然切削力和刀具振動較大，但其加工效率遠遠高于插銑。
該試驗說明了將盤銑、插銑和側(cè)銑等工藝高度集成對于小曲率整體葉盤通道的大余量開槽加工具有可行性和有效性，同時也為實現(xiàn)該工藝方法的數(shù)控裝備的剛度分析與切削參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。
參考文獻
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（作者：史耀耀趙鵬兵來源：航空制造技術(shù)）