航空发动机叶片五轴铣削加工颤振抑制与表面完整性提升

一、引言

航空发动机是飞机的核心部件，其性能直接决定飞机的飞行性能与可靠性。叶片作为航空发动机中实现能量转换的关键零件，工作环境恶劣，需承受高温、高压、高转速及复杂气流作用，因此对叶片的加工精度、表面质量和结构完整性要求极高 。五轴铣削加工技术凭借其能实现复杂曲面加工、提高加工效率和精度等优势，成为航空发动机叶片加工的重要手段。然而，在五轴铣削加工过程中，颤振现象频繁发生，不仅影响加工效率，还会降低叶片表面完整性，进而影响叶片的气动性能与使用寿命。因此，研究技术具有重要的现实意义。

二、航空发动机叶片五轴铣削加工颤振产生机理及影响因素

（一）颤振产生机理

在航空发动机叶片五轴铣削加工中，颤振主要分为强迫振动和自激振动。强迫振动是由机床外部振源（如机床不平衡、传动部件的周期性误差等）或内部振源（如切削力的周期性变化）引起的振动 。自激振动则是在切削过程中，由于切削力与系统弹性变形之间的相互作用，系统自身激发的振动。

（二）影响因素

1、刀具因素：刀具的几何参数、材料性能和磨损状态对颤振有显著影响。刀具前角、后角、刃倾角等几何参数会改变切削力的大小和方向，进而影响系统的稳定性。例如，较大的前角可减小切削力，但会降低刀具的强度和刚性，增加颤振风险；刀具材料的硬度、韧性和耐磨性也会影响切削过程的稳定性，高速钢刀具和硬质合金刀具在不同切削条件下的抗颤振性能存在差异；刀具磨损后，切削刃变钝，切削力增大，容易引发颤振。

2、工件因素：叶片的结构形状、材料特性是影响颤振的重要因素。航空发动机叶片通常具有薄而复杂的曲面结构，刚性较差，在切削力作用下容易产生变形和振动。同时，叶片材料多为钛合金、镍基合金等难加工材料，这些材料强度高、硬度大、导热性差，切削时切削力大、切削温度高，增加了颤振发生的可能性。

3、工艺参数因素：切削速度、进给量和切削深度等工艺参数的选择直接影响切削力的大小和变化规律，从而影响颤振的发生。一般来说，过高或过低的切削速度都可能引发颤振；进给量和切削深度过大，会使切削力显著增加，导致系统稳定性下降。此外，五轴铣削加工中刀具的姿态和运动轨迹也会影响切削过程的稳定性。

三、航空发动机叶片五轴铣削加工颤振抑制技术

（一）刀具优化

1、刀具几何参数优化：通过合理设计刀具几何参数，降低切削力，提高刀具的抗颤振性能。例如，采用小的主偏角可减小切削宽度，降低切削力；适当增大刀具的螺旋角，可使切削刃逐渐切入和切出工件，减小切削力的突变，从而抑制颤振。此外，优化刀具的刃口形状，如采用倒棱、刃口钝化等处理，可提高刀具的强度和耐磨性，增强其抗颤振能力。

2、刀具材料选择：根据叶片材料的特性，选择合适的刀具材料。对于钛合金、镍基合金等难加工材料，可选用涂层硬质合金刀具、陶瓷刀具或立方氮化硼（CBN）刀具 。涂层刀具通过在刀具表面涂覆一层特殊材料，可降低切削温度、减小摩擦系数、提高刀具耐磨性，有效抑制颤振；陶瓷刀具和 CBN 刀具具有高硬度、高耐磨性和良好的耐热性，能在高速切削条件下保持稳定的切削性能，减少颤振的发生。

（二）工艺参数调整

1、切削参数优化：通过试验和仿真分析，确定合理的切削速度、进给量和切削深度。采用变切削参数的方法，如在加工初期采用较低的切削速度和进给量，待系统稳定后再逐渐提高切削参数，可有效避免颤振的发生。此外，根据刀具的磨损状态和工件的加工余量，实时调整切削参数，保持切削过程的稳定性。

2、刀具路径规划：优化五轴铣削加工的刀具路径，减少刀具的急转弯和急变速，避免切削力的突变。采用螺旋下刀、斜坡下刀等方式代替垂直下刀，可降低刀具切入工件时的冲击力；合理规划刀具的切削方向和步距，使切削力分布更加均匀，提高系统的稳定性。同时，利用 CAM 软件进行刀具路径的仿真模拟，提前发现潜在的颤振风险，并进行优化调整。

（三）振动控制

1、被动减振技术：在机床结构或刀具系统中添加减振装置，如阻尼器、减振垫等，吸收和耗散振动能量，降低系统的振动响应。例如，在刀具刀柄上安装阻尼器，可有效抑制刀具的振动；在机床工作台与床身之间设置减振垫，减少外界振动对加工系统的影响。

2、主动减振技术：利用传感器实时监测加工过程中的振动信号，通过控制系统产生与振动信号大小相等、方向相反的控制信号，驱动执行机构对系统进行主动控制，抵消振动。例如，采用电液伺服系统或电磁驱动系统，根据振动监测信号实时调整刀具的位置或姿态，抑制颤振的发生。主动减振技术具有响应速度快、控制精度高的优点，但系统复杂、成本较高。

四、航空发动机叶片五轴铣削加工表面完整性提升技术

（一）切削参数优化

合理的切削参数不仅有助于抑制颤振，还能提高叶片的表面完整性。降低切削速度和进给量，可减少切削力和切削热，降低表面粗糙度，减少表面层的残余应力和微观裂纹。适当减小切削深度，可使切削过程更加平稳，避免因切削力过大导致的表面变形和损伤。同时，根据叶片材料的特性，选择合适的切削液，改善切削条件，冷却和润滑刀具与工件，提高表面质量。

（二）刀具磨损控制

刀具磨损会直接影响加工表面质量。定期检查刀具的磨损情况，及时更换磨损严重的刀具，避免因刀具磨损导致的表面粗糙度增加和表面缺陷产生。采用刀具磨损监测技术，如通过传感器监测刀具的振动、温度、切削力等信号，实时掌握刀具的磨损状态，提前进行刀具更换或修磨。

（三）表面处理技术

在铣削加工后，对叶片表面进行适当的处理，进一步提升表面完整性。例如，采用研磨、抛光等机械加工方法，去除表面的微小缺陷和加工痕迹，降低表面粗糙度；通过喷丸处理，在叶片表面形成残余压应力层，提高叶片的疲劳强度和抗腐蚀性能 ；利用激光处理技术，改善叶片表面的组织结构和性能，提高表面硬度和耐磨性。

五、结论

是提高叶片加工质量、保证航空发动机性能的关键技术。通过深入分析颤振产生机理及影响因素，采用刀具优化、工艺参数调整、振动控制等多种技术手段，可有效抑制颤振，提升叶片表面完整性。尽管目前在该领域仍面临诸多挑战，但随着智能化、多技术融合和绿色加工等技术的发展，航空发动机叶片加工技术将不断进步，为航空工业的发展提供有力支撑。

参考文献：

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