闭式叶盘加工过程接刀误差控制方法研究*

（北京动力机械研究所，北京 100074）

闭式叶盘是指所有叶片的叶根、叶尖部位分别由内环和外环连接在一起的一类叶盘零件，因其具有工作效率高、可靠性高、重量轻等优点，在航空、航天、水力机械、能源、家电等行业均有广泛用途。尽管有分体制造再连接、精密铸造、3D 打印、电火花等多种加工方式能够实现闭式叶盘的制造，但对于高精度、高效率、多尺寸规格的制造需求而言，数控铣削加工仍然是优势最为明显的加工方式[1]。

相比于开式叶盘，闭式叶盘的加工对工艺人员、操作人员、机床以及编程工具等都提出了更高的要求。由于结构的限制，进行闭式叶盘加工时经常需要从前、尾缘两个方向进刀才能完成整个叶型的加工，两部分叶型的对接部位不可避免的会留下一条接刀痕迹，当接刀误差超过设计要求时，就需要再通过打磨等其他工序来进一步处理。目前，从已知文献看，针对闭式叶盘加工的研究侧重点大多数集中在零件造型、刀具方案、加工区域划分以及刀位轨迹规划等方面[2–6]，而针对接刀误差源及其控制方法的研究主要集中在其他结构件加工过程。李和平[7]从切削参数、系统热变形、机床结构等方面分析了散热器表面加工过程接刀痕产生的原因，并给出了具体的解决方法。秦卫伟等[8]针对铝合金薄壁件凹槽部位加工接刀痕形成原因进行了分析，并提出通过改变装夹方式、装夹顺序以及优化刀具路径的方式来提升加工质量。钱杨林等[9]研究了通过调整编程刀路改善平面与平面、平面与曲面、曲面与曲面等3 种情况下的接刀质量。董金伟[10]对数控加工中工艺系统几何误差、受力变形误差、受热变形误差、工件内应力引起误差、测量误差等多方面误差源进行了分析与总结。郑财等[11]从装配误差、运行误差、换刀误差以及热误差4 个方面对三轴数控机床的加工误差进行了分析。

相比于文献[7–8] 的平面加工特征对象，闭式叶盘叶型曲面加工误差控制难度更大，除了文献[7–11] 提到的各误差来源外，还需要克服零件二次装夹以及机床零点漂移等因素带来的挑战。本文以提高闭式叶盘叶型加工精度为目标，同时结合在机测头的应用，研究了闭式叶盘叶片加工难点、影响因素和加工接刀误差控制方法，并通过实际零件加工过程进行了验证。

1 闭式叶盘加工流程及难点

本文研究对象喷嘴环为闭式轴流叶盘，材料采用钛合金，叶片与内环、外环整体加工成形，以其为基础制造的组件为涡轮泵重要组成部分，其叶型轮廓加工精度高低将对整个涡轮泵工作性能产生重要影响，闭式叶盘零件如图1所示。

图1 闭式叶盘零件示意图Fig.1 Schematic of closed blisk

1.1 叶型加工难点分析

喷嘴环产品的加工难点主要集中在叶型加工过程。由于采用的材料钛合金为难加工材料，加工时切削力大，刀具易磨损，影响叶型轮廓精度。

其次，由于结构特点限制，在进行闭式轴流叶盘加工时，刀具空间可达性非常差，需要采用分别从正反两面进刀的方式来完成加工，由于二次装夹引入了新的误差因素以及加工过程各种其他误差的综合作用，导致叶型型面上不可避免的存在一条接刀痕迹。根据设计性能要求，为了保证较好的压气效果，要求沿着气流流动方向不存在逆向台阶，对于加工而言，这无疑进一步增大了叶型型面加工难度。

最后，由于喷嘴环叶型曲面形状复杂，流道空间狭小，正反进刀需要将程序分成多段，如何在兼顾效率的前提下合理选择刀具方案、划分加工区域、避免碰撞干涉的发生、实现该零件叶型加工五轴编程具有较大的难度。

1.2 闭式叶盘加工工艺流程

根据设计图纸要求，结合类似产品研制经验，合理制定喷嘴环零件的加工方案，形成的产品工艺流程如图2所示。其中叶片型面在第8 道工序数控铣完成加工。

图2 闭式叶盘零件工艺流程图Fig.2 Technology flowchart of closed blisk manufacturing process

1.3 闭式叶盘铣叶型工序流程

闭式叶盘数控铣叶型工序，工步安排如图3所示。在原工艺中，在安装好工装后，每次重新装夹零件，均需要找正零件的圆周跳动，通常这一过程十分耗时、费力（图3中红色实线标出的环节），且找正效果受到操作者水平的影响，并不稳定。在数控编程方面，国内多数厂家进行整体叶盘加工时，采用针对其中一个流道和叶片进行编程生成子程序，之后在主程序中通过旋转回转工作台逐个将每个叶片调整到编程坐标系中固定位置，再调用子程序进行加工的方式来完成流道以及叶片的加工，其中，子程序中启用RTCP 功能，这样做的好处是使得数控程序能够直接移植到同型号机床上使用，而不用根据机床结构参数的细微差异再去重新对程序进行后处理[12]。

图3 闭式叶盘铣叶型工序基本流程Fig.3 Flowchart of blade-milling procedure for closed blisk

2 闭式叶盘加工接刀误差控制方法

2.1 接刀误差产生原因分析

通常在加工过程中导致产生加工误差的因素主要包括零件、工装、刀具、机床、装夹环节、切削过程因素以及其他因素等[10–11,13–15]，加工过程误差影响因素分布如图4所示。

图4 加工过程误差影响因素分布图Fig.4 Distribution of factors affecting the machining error

对于本文的闭式叶盘加工过程，所用刀具经过严格挑选，刀具直径尺寸误差在0.01mm 以内，且加工过程及时检查磨损、更换新刀；车间为空调控温车间；精加工采取小切深、小切宽的思路确保加工过程平稳。因而刀具、环境温度变化以及切削参数等因素对误差的影响已得到较好的控制。经过前期试加工发现，当前仍然对叶型接刀误差影响比较大的因素主要包括工装安装环节、零件装夹环节、本工序零件入口状态、机床零点漂移等几个方面，具体分析如下。

（1）工装安装环节。加工闭式叶盘时，需要将工装固定在机床回转工作台上，工装定位面与机床坐标系之间存在一定误差，具体表现为工装定位面圆周跳动和端面跳动不为零。以工装绕Y轴存在偏转角度α为例，如图5（a）所示，正反面两次进刀得到的两部分叶片型面之间将存在一定的偏转接刀误差。类似的，当工装存在圆周跳动时（假设零件与工装同心），若正反翻面加工程序坐标系原点均仍然设在工作台回转中心的话，加工后，两部分叶型之间将出现偏移接刀误差，如图5（b）所示。

（2）零件装夹环节。工装定位面找正精度较高，而零件正反两次装夹过程中，零件装夹过程存在偏心时（通过检测零件装夹后的圆周跳动来检查）同样将影响到叶型接刀误差，具体原理与图5（b）类似。在加工过程中，零件正反面，两次装夹状态之间角向相对误差也会对叶型产生影响，原理如图6（a）所示。

图5 工装绕Y轴方向出现偏转和工装沿Y轴方向出现偏移对叶型影响示意图Fig.5 Effect of fixture deflection around Y axis and offsets along Y axis on blade profile

（3）本工序零件入口状态。正反面加工过程零件两个端面分别与工装定位面贴合。零件两端面平行度误差也会对叶型接刀产生影响，具体原理如图6（b）所示。类似的，当上下端面平面度较差时同样会导致接刀误差。

图6 零件两次装夹角向误差和零件两个端面平行度误差对叶型影响示意图Fig.6 Effect of angular error derived from second clamping and parallelism error on workpiece end faces

（4）机床零点漂移。随着时间增长，五轴数控机床零点不可避免的存在一定的偏移现象，这同样将影响到叶型轮廓度，当正反两次加工的两部分叶型接刀处的误差不一致时，将会使得闭式叶盘的接刀误差增大。

2.2 接刀误差控制方法

基于前文对导致闭式叶盘加工接刀误差主要因素的分析，本文通过增加前置的磨削工序提高上下两端面的平面度及平行度，控制多工序误差耦合因素带来的影响；通过应用基于在线测量的误差补偿技术来控制零件装夹后圆周跳动以及翻面过程角向错位的影响，并给出了基于零件进行数控机床零点在线标定的简便方法，以尽可能地消除机床零点漂移带来的影响。

（1）工艺流程。按照对闭式叶盘加工接刀误差进行控制的思路，设计该零件叶型的加工工艺流程如图7所示，其中N为叶片总数。

图7 闭式叶盘叶型接刀误差控制流程图Fig.7 Control flowchart for blade adjoining error of closed blisk

（2）基于在机测量的补偿算法。如前文所述，零件装夹后圆周跳动以及翻面过程相对角向误差均会对接刀误差产生明显影响，现代数控机床在机测量功能为解决这一问题提供了有效的途径[15]。本文提出一种基于数控机床在机测量功能确定加工坐标系原点偏置以及零件角向的方法。

在机床A轴和C轴均处于0°状态下，利用测头和机床自带测量模块分别测量零件中心位置坐标和销孔中心位置坐标，记为（X1，Y1）和（X2，Y2），如图8所示。

利用式（1）和式（2）确定零件角向θ及零件中心的初始位置角α。

假设叶片总数为N，按照图9所示顺序对叶片进行编号1，2，3，4，…，N。加工任意一片叶片前，需要旋转工作台使该叶片处于X轴正向方向。此外，还需要重新计算工作台转动后零件中心在机床坐标系中的位置坐标X1,n、Y1,n，计算公式如式（3）所示。

其中，n为待加工叶片序号。将数值X1,n、Y1,n分别设置到机床坐标系寄存器（如G54）X轴、Y轴数值中，并将相应的角度值设置到寄存器的C轴数值中，再以新设置的寄存器数值作为程序坐标原点，调用子程序，进行第n个叶片的加工。

3 数控机床零点快速标定

通常随着生产车间里的数控机床安装调试完成，各坐标轴零点便被设置在特定位置。但随着时间增长，在实际加工中振动、温度及其他原因的影响下，数控机床的零点会逐渐出现漂移现象，当这种漂移达到0.02~0.03mm 甚至更大时，将会对叶型轮廓度及接刀误差产生不可忽略的影响。图10给出了机床零点漂移的示意，理想情况下机床零点O与工作台物理回转中心O1重合（以本文所用五轴摇篮式数控机床为例），运行一段时间后，机床零点O与工作台物理回转中心O1出现了一定偏差。为了尽量消除零点漂移对产品质量的影响，需要采取措施对数控机床零点进行及时的标定及校准，以满足闭式叶盘的加工需求。

图8 零件中心、销孔中心以及零件角向位置角θ示意图Fig.8 Part center, pinhole center and position angle θ of workpiece

图9 叶片序号表示方法Fig.9 Description method of blade number

图10 机床零点漂移示意图Fig.10 Schematic diagram of machine tool zero point shifting

目前，机床行业内通常采用基于标准球或者标准杆[16]的方法对机床零点进行标定，但是实现这种方法需要配备专用标准球或标准杆，且工装或者零件易与标定装置产生干涉，操作不方便，本文给出一种零件在线状态下的数控机床零点快速标定方法。

3.1 采用千分表方案

首先，将机床A轴调整到0°状态，并在整个标定过程中保持不变。将千分表吸附在主轴端面上（保证千分表能够随着主轴自由旋转），确保表针能够压到零件外圆。

以标定机床Y轴零点为例，将表针转到Y轴方向，分别读出C轴在0°和180°时的千分表示数，记为D1和D2，如图11（a）和（b）所示。那么此时D1与D2的差值即为零件H点与B点的跳动量差值。

接下来，工作台保持不动，如图11（b）和（c）所示，通过转动主轴，分别读出表针在零件H点与B点的示数，记为D3’和D2’。计算（D3’–D2’），并与（D1–D2）进行比较，若二者相等（小于1μm 即可视为相等），则此时的Y轴坐标值即为机床Y轴零点漂移值YP；若二者不相等，通过手轮调整机床主轴Y坐标值，直至二者相等，得到Y轴零点漂移值YP。按照相似的方法标定机床X轴零点漂移值，记为XP。根据标定出来的机床X、Y轴漂移数值XP、YP进行补偿校准。

图11 基于千分表标定机床零点方法示意图Fig.11 Calibration method of machine tool zero point by dial gauge

当使用这种基于千分表的方法进行机床零点标定时，需要注意零件与工作台的偏心值在与被测轴垂直方向上的投影将对标定结果产生影响。以对机床Y轴零点进行标定为例，零件在X轴方向的偏心值对千分表测量的影响原理如图12所示。这时应该首先通过工装与零件之间的定位面配合，确保零件与工作台的偏心值在与被测轴垂直方向上的投影远远小于零件直径（对于直径<500mm 的零件，当零件偏心值在与被测轴垂直方向上的投影小于直径的1‰时，对零点标定造成的影响可以忽略不计）。

图12 偏心值对千分表测量的影响Fig.12 Effect of workpiece eccentricity on calibration process by dial gauge

3.2 采用高精度在机测头方案

当数控机床所配置的探针式测头能够实现较高的测量精度，且数控系统内置圆心自动测量功能模块时，可以采用基于测头的简便方法标定数控机床X、Y轴零点。

在机床A轴保持为0°的状态下，通过机床测头分别测量C轴为0°和180°时的零件中心坐标，分别记为（X1，Y1）和（X1′，Y1′）， 如图13所示。按照式（4）计算机床X、Y轴零点漂移值XP、YP，最后，根据标定出来的机床X、Y轴零点漂移数值XP、YP进行补偿校准。

图13 基于测头标定机床零点方法示意图Fig.13 Calibration method of machine tool zero point by probe

本文通过采用标准球的通用方法对上面给出的两种机床零点快速标定方法进行了多次验证，结果显示能够起到很好的零点标定作用。此外，当采用基于测头的零点标定时，即使零件存在偏心，本文给出的方法仍然能够很好地发挥作用，且易于实现自动化标定，能够用于无人工干预的生产线上，因而，具有较强的推广应用价值。

需要说明的是，无论是基于千分表还是基于机床测头，都需要零件外圆表面有较好的圆柱度及粗糙度。

4 试验验证

4.1 试验方案

本文验证试验在科德KMC400UMT 数控机床上进行，粗加工刀具采用锥度球头铣刀，精加工采用棒棒糖铣刀。通过自制工装装夹零件，按照前文所述工艺流程及接刀误差控制方法对叶片进行切削加工。试验现场如图14（a）所示。图14（b）为粗加工工步1 所用刀具类型，图14（c）为粗加工工步2 以及精加工所用刀具类型（实际加工过程，精加工后的刀具可以用于粗加工工步2）。所用刀具加工过程全程开启冷却液。

图14 试验现场及刀具照片Fig.14 Experimental setup and tools

4.2 试验结果分析

加工后检查，叶片表面光洁度满足设计图样规定的粗糙度Ra1.6μm 要求，采用三坐标测量机检测叶型轮廓数据，图15和图16给出了两组叶片的叶型检测结果，其中正面两部分轮廓是在共同基准下进行测量的。数据显示，正反两面加工的叶型轮廓对接的比较好，整个叶型偏差全部分布在±0.07mm 以内，其中绝大部分数据点（图15对应比例为99.35%，图16对应比例为98.68%）的偏差分布在±0.06mm 以内。且进行多次试验，均能得到稳定的叶片加工质量；而采用原方案加工时，零件加工质量并不稳定，叶型偏差可能达到±0.11mm 甚至更大。试验证明，本文所给出的方法实现了对叶型接刀误差的精确控制，满足零件制造要求。

图15 叶片1叶型轮廓偏差检测结果(截面轮廓线为示意图，mm)Fig.15 Checking results of errors for blade No.1 (profile lines are schematic，mm)

图16 叶片2叶型轮廓偏差检测结果（截面轮廓线为示意图，mm）Fig.16 Checking results of errors for blade No.2 (profile lines are schematic，mm)

5 结论

从本文的分析过程可以看到，闭式叶盘叶型的接刀误差受到多个因素的共同影响，需要设计科学合理的工艺方案和操作方法来进行控制。本文设计了一种闭式叶盘铣叶型工序加工方案和流程，通过综合利用机床测头功能和机床RTCP 功能实现了对零件位置的精确定位和偏心补偿。最后，在国产五轴数控机床上开展了加工试验，三坐标检测结果证明了本文所给出的方法能够有效控制叶型接刀误差。另外，所给出的零件定位及偏心补偿方法、机床零点快速标定方法是基于机床在机测头功能而实现，易于实现自动化，同时降低了对零件装夹后圆周跳动量的要求，能够显著节省装夹找正时间，在叶盘自动生产线上具有广阔应用前景。