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數(shù)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(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院   作者:安東亮,何歡歡
   
     摘要:葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)等動(dòng)力機(jī)械中重要的工作零件,葉片零件的加工質(zhì)量直接影響動(dòng)力裝置的使用壽命和性能。在實(shí)際加工過程中,葉片零件的結(jié)構(gòu)形狀差異較大,種類多,加工工藝復(fù)雜,對(duì)加工質(zhì)量和加工精度要求高等特點(diǎn),直接增加了數(shù)控加工的難度。根據(jù)葉片零件加工特點(diǎn),在數(shù)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(zhì)量。對(duì)此,文章首先從葉片結(jié)構(gòu)和材料方面闡述了數(shù)控加工中葉片零件的特征,然后分析了葉片零件的數(shù)控加工特點(diǎn),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(duì)葉片零件特征對(duì)數(shù)控加工中如何選擇刀具種類進(jìn)行論述,主要從刀具的結(jié)構(gòu)、材料和幾何參數(shù)進(jìn)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(shí),提升加工精度。
  
    關(guān)鍵詞:葉片零件;數(shù)控加工;刀具;刀路軌跡
  
    葉片零件作為動(dòng)力機(jī)械裝置中重要的組成部分,其加工質(zhì)量和精度一直受到業(yè)界的關(guān)注。相對(duì)于其他制造技術(shù)而言,利用數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)行葉片零件制造具有顯著的優(yōu)勢(shì),加工效率和加工精度都較高。在數(shù)控加工中,刀具與零件直接接觸,可見刀具的選擇至關(guān)重要。尤其是對(duì)于葉片零件而言,其加工難度更大,葉片在不同的工作環(huán)境中會(huì)呈現(xiàn)不同的幾何形態(tài),葉身的曲面較為復(fù)雜,葉根種類較多,在刀具運(yùn)行過程中還需要考慮是否會(huì)對(duì)其他結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生影響。刀具的材料、結(jié)構(gòu)、幾何尺寸等都關(guān)系到零件的加工質(zhì)量和加工精度,通過對(duì)葉片零件的結(jié)構(gòu)、種類和工藝特點(diǎn)的分析,利用相應(yīng)的軟件對(duì)加工中的刀路軌跡、殘留量、切削力、刀路軌跡時(shí)間等進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),可選出滿足葉片零件加工需求的最佳刀具。刀具的選擇關(guān)系到數(shù)控加工的成本、效率、質(zhì)量和精度,也是我國(guó)機(jī)械加工領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)化的重要途徑,在促進(jìn)機(jī)械加工行業(yè)發(fā)展中具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
  
    1、葉片零件的結(jié)構(gòu)形態(tài)與材料
  
    葉片零件在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中有不同的種類,一般葉片的葉身曲面都比較復(fù)雜,通過對(duì)葉片零件的結(jié)構(gòu)形態(tài)和材料進(jìn)行分析,可為葉片零件的數(shù)控加工刀具選擇提供參考。
  
    1.1 葉片的結(jié)構(gòu)形態(tài)
  
    根據(jù)應(yīng)用的場(chǎng)景與功能的不同,葉片零件會(huì)有不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)。下面主要對(duì)葉片較為常見的結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行分析,包括葉身、葉根、葉冠與阻尼臺(tái)。葉身一般呈現(xiàn)三維空間的曲面,因?yàn)樵诠ぷ鳡顟B(tài)時(shí)葉身直接接觸氣流,對(duì)氣體進(jìn)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(duì)動(dòng)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(qiáng)化葉片的剛性和強(qiáng)度,保證葉片在工作狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性。在葉片加工中,葉根是相對(duì)較為簡(jiǎn)單的部分,設(shè)計(jì)理念也追求簡(jiǎn)單,便于裝配。葉冠位于渦輪轉(zhuǎn)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(tài)時(shí)的振動(dòng)幅度,葉冠形狀一般會(huì)采用平行四邊形或者鋸齒形。阻尼臺(tái)的作用主要是增強(qiáng)葉身的強(qiáng)度,以減少葉身在工作狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。
  
    1.2 葉片的材料
  
    因?yàn)槿~片零件一般應(yīng)用于動(dòng)力裝置中,需要依靠葉片的高速旋轉(zhuǎn)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,所以工作環(huán)境一般都具有較高的溫度,且工作載荷較大。為了保證運(yùn)轉(zhuǎn)性能和工作效率,對(duì)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(xué)性,比如強(qiáng)度、抗沖擊能力、耐腐蝕、高溫疲勞性能、化學(xué)穩(wěn)定性等,以便能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境中高效運(yùn)轉(zhuǎn),同時(shí)保證自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。不同的工作場(chǎng)合對(duì)葉片零件的機(jī)械性能有不同的要求,在選擇葉片材料時(shí)需要根據(jù)實(shí)際需求而定。比如低于 2 500 ℃的環(huán)境中應(yīng)選擇鋁合金材料,2 500 ~ 4 500 ℃的環(huán)境中應(yīng)選擇鈦合金材料,高于 4 500 ℃的環(huán)境應(yīng)選擇不銹鋼 [1]。相對(duì)于其他材料而言,鈦合金在高溫下具有較好的疲勞強(qiáng)度拉伸性、蠕變強(qiáng)度和拉伸性,且鈦合金的質(zhì)量較強(qiáng),多用于我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造中。
  
    2、葉片零件數(shù)控加工特點(diǎn)
  
    通過對(duì)葉片零件的結(jié)構(gòu)分析,能夠總結(jié)出葉片零件在數(shù)控加工中的工藝特點(diǎn),主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。
  
    2.1 加工區(qū)域和夾具約束對(duì)刀具的干涉
  
    葉片零件的葉身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,在數(shù)控加工中刀具的路徑軌跡不僅會(huì)受到葉身復(fù)雜曲面的影響,還會(huì)受到夾具的約束,這會(huì)嚴(yán)重限制刀具的種類和結(jié)構(gòu)類型。在編制葉片零件加工工藝時(shí),對(duì)于刀具的路徑軌跡要充分考慮到葉片結(jié)構(gòu)對(duì)刀具的干涉。比如在加工葉片連接部位時(shí),刀具的刀桿極易發(fā)生加工干涉現(xiàn)象,而在加工葉身曲面時(shí)也容易出現(xiàn)過切和欠切的現(xiàn)象,這些都是由于葉片自身結(jié)構(gòu)對(duì)刀具路徑軌跡的影響。因此,在選擇刀具時(shí),需要充分考慮到這些特點(diǎn),然后選擇適宜的刀具種類和結(jié)構(gòu)。
  
    2.2 刀具軌跡復(fù)雜
  
    刀具的軌跡關(guān)系到加工效率和加工質(zhì)量,而刀具軌跡的編制是根據(jù)工件的形狀和結(jié)構(gòu)而確定的。葉片零件的葉身曲面較為復(fù)雜,在數(shù)控加工中還會(huì)受到葉片自身尺寸的影響,對(duì)于尺寸較小的葉片零件,刀具的加工區(qū)域受限,會(huì)增加加工的難度。在加工葉片時(shí),處于不同的加工階段,刀具的軌跡會(huì)受到不同的影響,尤其是在精加工階段,刀具的軌跡會(huì)更加接近葉身曲面的形狀,刀具的軌跡也會(huì)更加復(fù)雜。在加工葉身與葉根相交部位時(shí),在空間和加工精度的影響下,也會(huì)增加刀具運(yùn)行軌跡的難度 [2]。
  
    2.3 加工過程中的受力情況復(fù)雜
  
    根據(jù)加工對(duì)象的結(jié)構(gòu)和剛度不同,刀具的運(yùn)行速度、受力情況也會(huì)存在較大的差異。因?yàn)槿~片零件的葉身曲面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,所以在數(shù)控加工時(shí)需要頻繁變換刀具的刀軸姿態(tài)和速度。在加工葉身的進(jìn)氣邊和排氣邊時(shí),曲線的曲率有較大的變化,刀具的受力也會(huì)隨之發(fā)生劇烈的變化。大部分葉片零件的葉身結(jié)構(gòu)都比較薄,剛度較弱,并且葉身的剛度分布不均,在加工時(shí)受到刀具受力和速度的影響,可能產(chǎn)生變形現(xiàn)象,直接影響葉片的加工精度。
  
    2.4 加工時(shí)間長(zhǎng)
  
    因?yàn)槿~片零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所以數(shù)控加工時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)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(huì)耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)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(jìn)一步增加加工時(shí)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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的曲面葉身加工中,還會(huì)經(jīng)常變化刀軸姿態(tài),受到加工區(qū)域輪廓的限制,勢(shì)必會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間。加上其他的輔助加工,相對(duì)于其他工件而言,葉片的加工時(shí)間較長(zhǎng)。
 
    3、葉片零件數(shù)控加工刀具的選擇
  
    刀具作為數(shù)控加工的重要工具,直接關(guān)系到葉片零件加工的效率和質(zhì)量,在選擇刀具時(shí)要與加工對(duì)象的特征相匹配。通過對(duì)葉片零件結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝的分析,可以總結(jié)出葉片零件數(shù)控加工中對(duì)刀具的要求。刀具的結(jié)構(gòu)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(tài)下刀具在切削過程中都要有較強(qiáng)的穩(wěn)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(yīng)該具備互換性好,規(guī)格統(tǒng)一,便于管理等特點(diǎn),具體如下。
  
    3.1 刀具材料的選擇
  
    在數(shù)控加工中刀具直接與工件接觸,在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中由于摩擦?xí)a(chǎn)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(dǎo)熱性等方面達(dá)到一定的要求。根據(jù)工件的特征,還需要對(duì)刀具材料的其他物理性能和化學(xué)性能進(jìn)行選擇,以確保工件的加工效率和加工質(zhì)量,對(duì)于刀具材料的選擇可從以下幾個(gè)方面考慮。
  
    刀具材料選擇需要滿足力學(xué)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(shí),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(chǎn)生變形,刀具材料要具有較好的導(dǎo)熱性能;為了防止刀具和工件出現(xiàn)黏結(jié)和擴(kuò)散磨損的現(xiàn)象,應(yīng)該考慮到刀具材料與工件材料之間的抗擴(kuò)散性、化學(xué)反應(yīng)和親和性,需要結(jié)合工件材料來選擇適宜的刀具材料 [3]。在選擇刀具材料時(shí),還需要結(jié)合加工工藝的特點(diǎn)、刀具材料的成本、加工精度的需求等各項(xiàng)因素,最終選擇最適宜的刀具材料。
  
    3.2 刀具的結(jié)構(gòu)和形狀選擇
  
    選擇刀具類型時(shí),需要結(jié)合葉片零件在數(shù)控加工的不同階段所呈現(xiàn)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?yàn)橐罁?jù),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(nèi)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(jìn)行翻面銑削。刀具可以選擇半徑較大、剛性較好的可轉(zhuǎn)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(tái),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(jìn)行粗加工。
  
    葉身粗加工后,已經(jīng)呈現(xiàn)出大致的輪廓,可以進(jìn)行半精加工。在半精加工階段可根據(jù)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(zhuǎn)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?yàn)榈毒叩倪\(yùn)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(nèi)凹輪廓,可根據(jù)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?yàn)槿~根粗加工的余量較大,所以可以選擇半徑較大的可轉(zhuǎn)位立銑刀或者立銑刀。在葉根半精加工階段,由于加工區(qū)域空間受限,應(yīng)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(duì)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(gè)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(fā)生加工干涉,可以通過調(diào)整刀具的刀軸傾角進(jìn)行防范。對(duì)于葉身與椽板連接處的圓角以及椽板面的精銑,應(yīng)選用半徑較小的整體硬質(zhì)合金球頭銑刀。
  
     3.3 刀具的幾何參數(shù)選擇
  
     選擇刀具的幾何參數(shù)時(shí)應(yīng)該根據(jù)工件的形狀、尺寸來確定,同時(shí),還應(yīng)該滿足相應(yīng)的原則。為了防止加工過程中刀具與工件之間發(fā)生碰撞,應(yīng)該遵循無干涉原則,通過工件加工方案和刀具運(yùn)行軌跡的比較分析,選擇適宜的刀具,避免出現(xiàn)刀具斷裂或者零件報(bào)廢的現(xiàn)象。根據(jù)工件加工精度的需求,刀具幾何參數(shù)的選擇要在滿足精度的基礎(chǔ)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(guān)系到數(shù)控加工的效率、質(zhì)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?yàn)榻饘偃コ枯^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(jìn)給精度都能夠保證,適當(dāng)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(dāng)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(shí),因?yàn)楹蟮睹媲邢魅杏幸欢ǖ慕嵌龋谇邢鞯倪^程中會(huì)產(chǎn)生較大的切屑層。為了減少切屑對(duì)葉片表面加工精度的影響,在粗加工時(shí)選擇較小的螺旋角,以便切屑的排出,在半精和精加工時(shí)可選擇較大的螺旋角 [5]。
  
    (2)刀具刃數(shù)選擇。銑刀的刃數(shù)不同,用途也不同,每種刃數(shù)的銑刀都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),因此要根據(jù)加工工件的結(jié)構(gòu)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(huì)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(duì)加工精度有較高要求,一般會(huì)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(jié)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(jù)葉片零件的結(jié)構(gòu)、功能、加工工藝等特點(diǎn),總結(jié)出加工葉片零件所需數(shù)控銑削刀具的種類、材料和結(jié)構(gòu)。根據(jù)具體的加工需求,對(duì)刀具的形狀、幾何尺寸、結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行選擇,最終優(yōu)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(zhì)量。

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