航发压气机叶片加工仿真研究

航发压气机叶片加工仿真研究

甘丽君,于佳伦 丁文瑜,杨忠文

中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司  辽宁沈阳  110000

摘要：航空发动机是保障飞机工作的重要动力支撑，压气机作为发动机的核心零部件备受关注，在行业工作者的不断努力下，压气机叶片加工技术有了很大的进步。为进一步优化完善叶片加工工艺，在分析了解国内压气机叶片加工工艺现状的基础上，针对叶片加工工艺和加工刀具路径对航发压气机叶片加工进行仿真研究，为实际加工提供可行性理论支撑，以推动压气机叶片加工工艺的发展进步。

关键词：航发压气机；叶片加工；仿真

引言

航发压气机对于飞机的重要性是不言而喻的，而压气机的叶片工艺又是提升压气机质量和效率的关键[1]。事实上压气机中有诸多的叶片，也正是有了数量众多的叶片才能保证压气机的正常运行。从工作原理来叶片能够将空气进行压缩或者膨胀，通过重复做功产生动力支撑，从而保障飞机正常运转。叶片的重要性决定了其在叶片加工方面要精益求精，质量标准是首要的。航发压气机叶片作为精密部件其加工过程非常繁琐，在加工过程中也极其容易出现问题继而影响叶片质量。因此怎样提高叶片加工工艺，保证叶片质量，是当下航发压气机重点关注的问题。

一、叶片加工工艺研究概述

从当下国内外压气机叶片加工技术来看，大部分技术都是聚焦叶片加工工艺方面的，其主要目的就是提高叶片加工的精度，保证加工效率，尽可能降低误差，减少加工过程中的变形程度[2]。近年来随着国内经济和科技的发展进步，航发压气机制造在经过数代人努力探索后已经有了很大的进步。当下国内比较常用的加工方式主要是由走刀路径方向和初始刀具路径是决定的，如果路径曲面没有严格按照相关参数走位是就会导致叶片质量不过关。目前国内对于叶片加工方面的研究主要集中在也发片的磨削加工技术上，而在数控加工技术方面的研究较少。可以期待未来国内在现有技术水平的基础上，在诸多行业专家的精益求精的奋斗中，我国在航发压气机叶片加工工艺方面会有更大的进步空间。在分析当下叶片加工工艺基础上，为提升叶片加工精密度和质量，借助仿真软件输入相关参数，通过仿真优化叶片加工工艺，为实际工作提供数据支撑。

二、航发压气机叶片加工仿真研究

压气机叶片加工工艺仿真对于实际叶片加工有重要的意义，在为实际加工提供科学可行性数据基础上，能够精进加工工艺缩短开发周期，降低叶片加工的成本，缩短调试时间的同时提高工作效率。通过搭建虚拟机床验证加工工艺的正确性，将后处理过的相关数据进行程序验证，导入机床验证走刀轨迹的准确性，以进一步提升加工的精确性。

（一）工艺制定

在仿真的过程中制定合适的加工路线是实现零件加工的关键，可以说加工路线是整个叶片加工工艺流程的概括，是整个加工工序内容的整体反映。加工工艺的制定一方面囊括了所有工序的内容，展示了加工的流程顺序，另一方面也是编写仿真程序的主要依据。通常功能工艺加工制定要遵循一定的原则，既要求工序集中实现最大化，又要求要秉持先粗后精、减少空行程时间、确保精度和表面粗糙度、设置合理刀轴方向等原则。

首先是刀具与切削参数选择。在制定叶片加工工艺过程中首要做的工作就是刀具和切削参数的设置选择。在选择铣刀时，要充分考虑到不同铣刀的功能以及叶片加工工序的要求。铣刀种类繁多，不同种类功能大不相同，鉴于立铣刀的结构和具体功能更适合小型零件加工制定，本研究仿真选择的是立铣刀。需要注意的是铣刀齿数众多，各齿数之间的空间很小并不利于铣屑的排出，因此在选取铣刀齿数过程中要结合实际选取合适的铣刀。钛合金对于铣削加工来说是一种比较困难的材料，为确保加工质量要选择合理的加工刀具，而实验证明目前钛合金材料的切削功能是最好的，但其导热性低，易导致过程中切削温度较高。鉴于此研究选择了钛合金加工中应用最为普遍的合金立铣刀，以确保过程中打磨工作的正常运行。

其次是叶片加工工艺制定。鉴于诸多数控加工技术中顺铣方式的优势要对于其他的方式，因此五轴数控铣削叶片加工方式优选顺铣方式，结合榫头加工工艺和叶身型面加工工艺进行叶片加工。榫头加工工艺目的是为除去毛坯材料，借助较大半径的平头铣刀，选择合理的圆角半径去除多余材料，如果是半加工需求则采用固定轮廓铣削和深度加工轮廓的方式，同时过程中选用球头铣刀去掉凹槽余料，确保加工质量的精确性。叶身型面加工工艺第一步要实现对叶片毛坯的粗加工，过程中叶片根部同样存在圆角，鉴于此同样需要选择刀具去除多余材料，然后进行半加工。过程中由于叶片表面为复杂曲面，加之数控机床多轴之间要联动，因此可以选择变轴轮廓铣削方式实现对刀轴方向的把控，为叶片加工提供治疗能够保证。

（二）刀具路径规划

叶片加工中刀具路径是最能反应加工技术的关键，在进行刀具路径设置过程中一方面要严格按照流程，另一方面要选择科学合理的刀具路径生成方式。

首先是刀具路径生成方式。使用数控机床进行加工，首要的就是要确定加工范围，根据加工方式形成要加工的表明轨迹曲线。为了提高加工的精度和质量，选择合理的行间距和长度，设置好相关参数后计算得出刀位点。然后将曲线和刀位点结合起来形成刀具路径。过程中要注意准确计算叶片加工走到行距的准准确性，确保合理的叶片加工刀行距，以此降低生产误差，确保叶片的质量。刀具路径规划的方式有很多，最为常见的三种是等参数法、等平面法、恒定残留高度法，其中等平面法是仿真实验中最为常见刀具路径规划方式。

其次是刀具路径生成。按照以上规划的叶片加工刀具路径以及相关轨迹计算结果，设置工序参数生成仿真刀具路径。过程中叶片加工会极大的依赖型腔铣类加工方法，按照种类不同分类，常用的加工方法主要有固定轮廓铣削、深度加工轮廓以及可变轴轮廓铣削。在选择所有的叶片零件后要创建合适的加工毛坯以及刀具，一方面按照已规划的加工工艺添加选择适合的刀具，另一方面要根据加工工艺的工序，设置好切削区域，确定刀轴的方向，假如生成的刀具路径不合适要再次调整修改，经过反复调试直至刀具路径准确无误。

（三）机床后处理

为更好的验证叶片加工工艺的可行性，要结合设置程序对其进行理论验证，过程中观察走刀的详细情况。由于机床系统当下不能识别刀位相关资料，所以只能通过后续程序控制的方式，将数据导入数控机床系统，通过结果验证加工工艺的可行性。首先要通过算法读取刀位文件提取相关数据，经过计算后生产计算程序。然后设置相关参数通过经过程序计算后得出结果，继而通过输入结束命令完成后处理器的编写。通过程序生成的加工实践，对实际叶片加工时间进行优化调整，以提高实际叶片加工的质量。

（四）搭建虚拟机床

为进一步验证后处理的可行性和准确性，要通过仿真软件搭建虚拟机床，以更好的对叶片加工工艺进行仿真验证。鉴于机床数量众多且各运动轴之间的关系紧密，所以选择合理的系统搭建虚拟机床是实现仿真验证的基础。首先要选择可靠的仿真加工软件，配置合适的床身运动轴、旋转工作台等数据，通过对不同机床运动轨迹观察调整运动数据。然后设置转轴属性参数，导入各夹具和毛坯模型，完成仿真偏执设置。

（五）仿真实验

将机床后处理工作和搭建虚拟机床完成后，即可开始叶片加工仿真实验，在仿真的过程中虚拟机床可以通过规划的路线完成对叶片的粗加工、精加工、半加工等不同类型的加工，过程中先实现对叶片榫头的加工，然后完成对叶身型的加工，最终将仿真的叶片结果与实际叶片作对比，通过对结果分析研究优化实际叶片加工参数。

三、结束语

在了解航发压气机叶片加工工艺现状的基础上，通过对叶片加工工艺制定和路径规划进行仿真验证，过程中对机床进行后处理，借助仿真软件搭建虚拟机床，利用仿真实验得出最终的仿真结果，将仿真结果与实际叶片作对比，找出仿真过程中的问题，通过对仿真数据的分析优化实际叶片加工工艺，为压气机叶片实际工作提供可行性参考，以进一步提升航发压气机叶片的质量为飞机的正常运行提供保障。

参考文献

[1]陈犇.航空发动机压气机叶片黑斑的形成原因分析[J].冶金丛刊,2021(006-005).

[2]张海兵,张泰峰,郭奇.航空发动机压气机叶片损伤分析与监控对策[J].无损检测, 2021,43(1):5.