葉輪五軸加工變形機理與誤差源分析

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以某型航空發動機壓氣機整體葉盤為研究對象(圖1),材料為Ti-6Al-4V鈦合金,輪轂直徑Φ100mm,葉片長度45~75mm,葉片數47片,葉片厚度2~3mm,葉片型面為復雜的空間扭曲自由曲面，相鄰葉片最小間距12.5mm。

加工變形來源包括切削力彈性變形、機床幾何誤差、跟隨誤差以及切削熱和殘余應力等多方面因素。五軸銑削時，球頭銑刀懸伸長度達60mm以上，切削力作用在薄壁葉片上產生彎曲變形，加工過程中材料逐步去除葉片剛性不斷降低，變形沿葉片高度方向呈現梯度分布特征。五軸機床包含41項幾何誤差，其中三個直線軸X、Y、Z各有6項位置相關誤差，兩個旋轉軸A、C各有6項位置相關誤差，共30項;另有3項直線軸間垂直度誤差和8項旋轉軸相關的位置無關誤差，共11項，這些誤差通過運動鏈疊加導致刀具相對工件的實際位置偏離指令位置。跟隨誤差由伺服系統響應滯后產生，在加工復雜曲面頻繁變向時累積形成軌跡誤差。此外，鈦合金導熱系數低，切削熱集中導致局部熱膨脹;毛坯殘余應力在材料去除后重新分布引起應力釋放變形。這些誤差源相互耦合，切削力大小與切削深度相關，實際切削深度受變形影響;幾何誤差和跟隨誤差改變刀具實際軌跡，影響切削深度和切削力。