目前，國內(nèi)薄壁葉片制造精加工工藝是數(shù)控半精加工與手工打磨精加工。原因在于葉片屬于薄壁曲面零件，加工變形難以控制，為避免報廢，必須留下足夠的余量補(bǔ)償數(shù)控加工引起的變形，zui后依靠人工拋光，用“邊打磨、邊檢驗(yàn)”的方法將葉片余量逐步去除掉。但由于手工打磨過程無冷卻液，靠樣板控制葉片截面形狀，故加工效率低，勞動強(qiáng)度大，表面精度低，波紋度大，易燒傷，質(zhì)量不穩(wěn)定，無法滿足薄壁葉片對壁厚和葉型精度控制的要求。
國外目前已普遍采用葉片無余量數(shù)控加工，制造周期短，加工一致性好，精度高。葉片無余量數(shù)控加工遇到的zui大難題就是加工變形，而加工變形是影響薄壁零件數(shù)控加工效率、精度和表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
薄壁葉片加工變形控制技術(shù)
薄壁葉片的變形形式主要有彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形。薄壁葉片加工變形主要由工件、刀具、夾具和機(jī)床組成的工藝系統(tǒng)產(chǎn)生, 主要原因是內(nèi)應(yīng)力的釋放和切削殘余應(yīng)力產(chǎn)生，因此，減少加工變形的主要措施就是減少應(yīng)力產(chǎn)生。目前，減少或消除加工應(yīng)力zui常用的方法有分階段加工、熱處理和高速銑削。
1 分階段加工
為減小葉片的加工應(yīng)力，加工過程分為粗加工、半精加工和精加工3個階段。粗加工主要問題是如何獲得高的生產(chǎn)率，切除的余量大，切削熱、切削力以及內(nèi)應(yīng)力重新分布等因素引起的葉片變形較大；半精加工時余量較小，葉片的變形也較??；精加工時葉片的變形更小。
2 熱處理
減少加工變形zui有效的措施是熱處理，由于粗加工余量大，加工應(yīng)力相應(yīng)也大，因此在粗加工和半精加工工序之間增加熱處理，以去除加工應(yīng)力。具體采用什么樣的熱處理方法要根據(jù)零件的材料和性能，按熱處理規(guī)范進(jìn)行選擇。
3 高速銑削技術(shù)
高速銑削采用極淺的切削深度和極窄的切削寬度，因此切削力比較小，和常規(guī)相比切削力至少降低30%。這對于加工剛性較差的薄壁葉片來說可以降低加工變形，使這類零件精細(xì)加工成為可能。薄壁葉片在加工時容易產(chǎn)生振動，振動會導(dǎo)致葉片變形。因此, 對于薄壁結(jié)構(gòu)零件的加工, 在保證加工效率的前提下,首先選擇高速切削方式, 以遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率；此外, 對不同壁厚的零件作模態(tài)分析, 了解工件的不同階固有頻率, 然后選擇合適的切削速度以求避免發(fā)生工件的切削振動。
4 誤差補(bǔ)償技術(shù)
誤差補(bǔ)償技術(shù)自20世紀(jì)70年代提出以來廣泛用于提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。利用誤差補(bǔ)償技術(shù)，即使中等精度的機(jī)床也可加工出高精度的零件。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法的不同，加工誤差補(bǔ)償系統(tǒng)可以分為2類：實(shí)時誤差補(bǔ)償和離線誤差補(bǔ)償。實(shí)時誤差補(bǔ)償系統(tǒng)對切削過程進(jìn)行在線監(jiān)測，并根據(jù)綜合誤差模型的分析結(jié)果，通過反饋信息及時調(diào)整切削參數(shù)和補(bǔ)償?shù)毒呗窂?。此種實(shí)現(xiàn)方案對各種實(shí)時監(jiān)測設(shè)備的精度和靈敏度要求較高，相對比較難以實(shí)施。離線誤差補(bǔ)償?shù)乃枷胧沁\(yùn)用材料力學(xué)理論分析法或有限元模擬技術(shù)分析預(yù)測工件刀觸點(diǎn)處變形量的大小，或者通過實(shí)際測量加工樣件的方法。離線誤差補(bǔ)償技術(shù)相對容易實(shí)施，特別適合于批量生產(chǎn)的情形。
加工變形誤差補(bǔ)償方法
通過材料力學(xué)理論分析法[4]、有限元分析法或測量數(shù)據(jù)分析法獲取零件表面加工變形誤差的詳細(xì)分布信息，并據(jù)此預(yù)修正原始數(shù)控編程刀位，補(bǔ)償?shù)毒摺⒘慵冃萎a(chǎn)生的讓刀誤差，從而達(dá)到一次走刀高速精加工目的。
1 材料力學(xué)理論分析法
以工程力學(xué)和彈性力學(xué)理論為基礎(chǔ)采用簡化模型技術(shù)，建立葉片在典型夾具結(jié)構(gòu)中的受力模型，并進(jìn)行彈性變形分析，計(jì)算葉片工藝剛度。以圖形方式直觀、清晰地對比葉片在各種夾具下的工藝剛度，通過葉片長度、寬度和厚度等宏觀幾何尺寸方便地判斷加工中變形程度和變形zui大區(qū)域，在編程前選用和優(yōu)化夾具結(jié)構(gòu)，提出補(bǔ)償措施，在一定程度上彌補(bǔ)讓刀變形精度損失。
2 有限元分析法
根據(jù)有限元分析計(jì)算結(jié)果，建立工件加工表面的變形誤差分布模型，修正原始數(shù)控編程刀位，有效補(bǔ)償加工變形誤差。
工件加工表層殘余應(yīng)力的存在嚴(yán)重影響其疲勞強(qiáng)度和使用性能,殘余應(yīng)力引起的扭曲變形也會顯著降低工件加工精度, 特別是對于航空工業(yè)中普遍使用的薄壁結(jié)構(gòu)影響更大。如何準(zhǔn)確預(yù)測、控制工件表層殘余應(yīng)力和扭曲變形, 改善加工表面完整性以及提高數(shù)控加工精度,一直是精密、超精密切削領(lǐng)域重要的研究課題。運(yùn)用熱彈塑性大變形有限元方法,lin等模擬了不同切削速度、切削深度條件下nip合金超精密切削表層殘余應(yīng)力的分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)沿工件表層深度方向殘余壓應(yīng)力先增大到一定值后開始減小, 出現(xiàn)zui大殘余壓應(yīng)力的位置隨著切削深度的增加而加深。el–axir研究了材料的拉伸強(qiáng)度以及切削速度、進(jìn)給率對工件車削表層殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響, 認(rèn)為工件表層殘余應(yīng)力沿深度方向符合多項(xiàng)式函數(shù)分布。利用測定殘余應(yīng)力的鉆盲孔法,sridhar等 分析了銑削加工鈦合金imi-834時工件表層殘余應(yīng)力的分布狀況。研究結(jié)果表明, 對于所選用的切削參數(shù)范圍而言, 工件表層殘余應(yīng)力基本上處于壓應(yīng)力狀態(tài),文中同時確定了在不影響材料微觀組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能前提下的消除殘余應(yīng)力的*熱處理工藝溫度。
3 測量數(shù)據(jù)分析法
材料力學(xué)理論分析法和有限元分析法是對葉片變形誤差進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測準(zhǔn)確與否與切削力模型和加工工藝模型有很大關(guān)系。測量數(shù)據(jù)分析法是對加工完成的葉片試件進(jìn)行三坐標(biāo)測量機(jī)測量，通過檢測結(jié)果的分析對葉片的加工誤差進(jìn)行補(bǔ)償。數(shù)據(jù)分析法是事后分析，而材料力學(xué)理論分析法和有限元分析法是事前預(yù)測，相比較而言測量數(shù)據(jù)分析法成本較高。測量數(shù)據(jù)分析法是對葉片試件進(jìn)行測量分析，因此試件的數(shù)量選擇很重要，一般一批3～5件葉片為好。另外，試件加工也要求工藝的穩(wěn)定性，如果工藝不穩(wěn)定，加工的試件變形情況就沒有規(guī)律，從測量數(shù)據(jù)中就不能準(zhǔn)確分析葉片變形情況。測量數(shù)據(jù)分析法是采用三坐標(biāo)測量機(jī)對加工完成的葉片進(jìn)行測量，通過分析測量數(shù)據(jù)得出葉片的變形誤差規(guī)律，再根據(jù)葉片的變形情況對cad模型進(jìn)行修改，即對葉片cad模型進(jìn)行反變形造型。然后通過修改的cad模型重新編寫nc代碼，對葉片進(jìn)行加工。
圖3 葉片變形誤差補(bǔ)償測量數(shù)據(jù)分析法流程
葉片變形誤差補(bǔ)償實(shí)例
1 葉片扭轉(zhuǎn)變形誤差補(bǔ)償
對某型發(fā)動機(jī)二級轉(zhuǎn)子葉片3件試件進(jìn)行數(shù)控加工（扭轉(zhuǎn)變形誤差未補(bǔ)償），經(jīng)測量機(jī)測量葉片8個截面并處理后計(jì)算的扭轉(zhuǎn)誤差。3件試件的葉片截面扭轉(zhuǎn)誤差（未補(bǔ)償）分布趨勢一致，說明加工工藝系統(tǒng)穩(wěn)定，這3 件試件具有代表性。在未進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)那闆r下，zui大扭轉(zhuǎn)誤差達(dá)39.758'，超出圖紙所允許的“zui大扭轉(zhuǎn)誤差不超過±12'”的要求。根據(jù)3 件葉片試件截面扭轉(zhuǎn)誤差的平均值對葉片加工工藝cad模型進(jìn)行葉片反變形誤差補(bǔ)償造型，即對葉片各截面在理論位置的基礎(chǔ)上分別旋轉(zhuǎn)-3.126667′、-5.936667′、-9.453333′、-17.525′、-26.36817′、-33.3512′、-36.0071′、-38. 0152′，再對葉片型面重新進(jìn)行造型。然后根據(jù)新cad模型編寫nc程序，并重新加工葉片3件。對重新加工的葉片進(jìn)行測量機(jī)檢測并處理后。zui大扭轉(zhuǎn)誤差為11.5326', 滿足了圖紙要求。根據(jù)需要還可以進(jìn)一步進(jìn)行補(bǔ)償，使扭轉(zhuǎn)誤差更小。
2 葉片彎曲變形誤差補(bǔ)償
對某型發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的3件試件數(shù)控加工（彎曲變形誤差未補(bǔ)償）完成后，三坐標(biāo)測量機(jī)測量葉片9個截面并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，其彎曲變形誤差分布。
根據(jù)3 件葉片試件各截面偏移量的平均值對葉片加工工藝cad模型進(jìn)行葉片反變形誤差補(bǔ)償造型，即對葉片各截面在理論位置的基礎(chǔ)上分別平移0.02543mm、0.04526mm、0.07026mm、0.15101mm、0.18391mm、0.16234mm、0.12243mm、0.09541mm、0.0833mm，葉片型面重新進(jìn)行造型。然后根據(jù)新模型編寫nc程序，并重新加工三件葉片。對重新加工的葉片進(jìn)行測量并處理后。zui大偏移量為-0.04214mm, 滿足了圖紙要求。根據(jù)需要還可以進(jìn)一步進(jìn)行補(bǔ)償，使彎曲誤差更小。