科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展刽巍，航空制造領(lǐng)域的先進(jìn)性成為了影響國(guó)家國(guó)際地位的又一重要標(biāo)志焊唬。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片屬于高坟岔、精、尖產(chǎn)品独令，多年來(lái)高精度和高表面質(zhì)量的自由曲面零件的加工一直是制造業(yè)的難點(diǎn)端朵。目前，國(guó)內(nèi)、外對(duì)葉片制造進(jìn)行了大量的研究逸月，主要包括以下三個(gè)方面:①運(yùn)用計(jì)算機(jī)分析手段對(duì)葉片進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)［1-4］;②優(yōu)化葉片生產(chǎn)過(guò)程的加工工藝栓撞，選取適當(dāng)加工參數(shù)和加工方法;③提高葉片制造設(shè)備的性能，保證其加工質(zhì)量碗硬。其中瓤湘，提高制造裝備研究的主要手段之一就是機(jī)床動(dòng)態(tài)特性研究。本文即從改善制造裝備入手恩尾，通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助軟件對(duì)某單位自主研發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片專(zhuān)用生產(chǎn)設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化來(lái)提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性弛说，改善葉片加工質(zhì)量。驗(yàn)證合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)翰意，不但提高了本臺(tái)機(jī)床的性能舷到，為今后機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤其是主要受力部位設(shè)計(jì)也提供了一定的參考。

1集蛛、機(jī)床設(shè)計(jì)

研究發(fā)現(xiàn)夹卒，產(chǎn)品的制造成本超過(guò)70%是在設(shè)計(jì)階段被決定的，但設(shè)計(jì)階段的成本僅占整個(gè)開(kāi)發(fā)階段的6%挟酗，由此可見(jiàn)設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品的發(fā)展十分重要［5］秆刑。機(jī)床是制造業(yè)的基本裝備，其設(shè)計(jì)可以劃分為產(chǎn)品規(guī)劃虏斤、方案設(shè)計(jì)唧谊、技術(shù)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)四個(gè)階段。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在功能脊距、周期及成本方面已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足新的需求÷痘螅現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論采用先進(jìn)的CAD/CAE技術(shù)，結(jié)合有限元對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析种诫、優(yōu)化钢老，省去了產(chǎn)品樣機(jī)反復(fù)試制、測(cè)試及改進(jìn)過(guò)程烫饼，提高產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)猎塞，有效縮短了設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)低成本快速響應(yīng)市場(chǎng)枫弟、產(chǎn)品批量化生產(chǎn)及大規(guī)模生產(chǎn)條件下的個(gè)性化需求［6］。

2鹏往、葉片加工中心設(shè)計(jì)

葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及功能實(shí)現(xiàn)的主要組成部件淡诗，其形狀、強(qiáng)度以及抗熱疲勞等性能決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和使用壽命伊履。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心是目前更高效韩容、高精的數(shù)控加工設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜曲面的高效、精密群凶、自動(dòng)化加工插爹，特別是在解決葉輪、葉片等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［7］请梢。

2．1葉片加工特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求

應(yīng)用環(huán)境的特殊需求使得發(fā)動(dòng)機(jī)葉片一般設(shè)計(jì)的比較薄赠尾，本文加工中心生產(chǎn)的葉片，長(zhǎng)約26．5mm笋棵，寬約28．8mm次翩，前后緣轉(zhuǎn)接Ｒ0．1～0．3，輪廓度Ｒ0．05～0．08蛾岳，結(jié)構(gòu)如圖1所示鹿吴。葉片的表面為自由曲面，采用數(shù)控銑削方法加工時(shí)容易產(chǎn)生較大的加工變形［8］簿睦。為滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)高耐熱性干策、高強(qiáng)度的使用要求，本文加工的葉片即采用性能較好的高溫鎳基合金材料GH4169派暴，其加工需要的切削力大彩淮，導(dǎo)致切削溫度較高，易造成切屑與刀具粘連以及機(jī)械的磨損慧跋，因此莽每，對(duì)加工機(jī)床的性能提出了更高的要求。

圖1葉片

2．2葉片加工中心尺寸及參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)本文葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)械兽，國(guó)內(nèi)某單位研制開(kāi)發(fā)了葉片專(zhuān)用五軸聯(lián)動(dòng)加工中心如圖2所示辖备。該加工中心能夠?qū)崿F(xiàn)X、Y呈驶、Z軸及A拷泽、C軸聯(lián)動(dòng)，X袖瞻、Y司致、Z軸直線移動(dòng)距離分別為300mm、250mm聋迎、300mm脂矫，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)24000r/min，移動(dòng)部件盡量采用方形框架結(jié)構(gòu)霉晕，整體采用對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)庭再，穩(wěn)定性較高。

圖2葉片加工中心示意圖

3牺堰、葉片加工中心結(jié)構(gòu)分析

在高速切削加工過(guò)程中拄轻，機(jī)床各結(jié)構(gòu)部件的動(dòng)態(tài)性能將直接影響機(jī)床的精度颅围、抗振性能、切削效率以及壽命［9］恨搓，從而影響到零件表面成形運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確性院促。因此，對(duì)加工中心重要構(gòu)件的動(dòng)雳犹、靜態(tài)特性進(jìn)行了分析满傍。

3．1床身動(dòng)態(tài)特性分析及優(yōu)化

3．1．1床身模型簡(jiǎn)化與處理

使用三維軟件進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，例如刪除小孔揍久、倒角和圓角等特征嫡服，對(duì)小曲率、小錐度的直線和平面進(jìn)行處理等迁耘。該床身與地面間通過(guò)M16的地腳螺栓連接伴竹，采用線性彈簧-阻尼單元法進(jìn)行建模。根據(jù)張學(xué)良［10］建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)螺栓結(jié)合面剛度特性進(jìn)行識(shí)別粤未、計(jì)算报叁，將結(jié)合面特性簡(jiǎn)化為一組空間彈簧-阻尼單元。文獻(xiàn)［11］中提出結(jié)合面剛度參數(shù)識(shí)別經(jīng)驗(yàn)公式為:

3．1．2床身動(dòng)態(tài)特性及靜力分析

床身前3階模態(tài)固有頻率與振型描述如表1述缚袒，各階振型如圖3所示付找。靜力分析結(jié)果如圖4所示，中間部位凹陷明顯绢贵，最大變形量為9．34μm艰争。

表1床身前3階固有頻率及振型

圖3前三階模態(tài)振型圖

圖4靜力分析結(jié)果

3．1．3床身模型優(yōu)化及改進(jìn)結(jié)果

分析仿真結(jié)果可知，在低階時(shí)桂对，床身出現(xiàn)整體移動(dòng)甩卓、變形，靜力分析顯示變形部位較為集中蕉斜、變形量大逾柿，且為實(shí)際加工中的重要承載位置。因此宅此，需對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化以提高其穩(wěn)定性机错。為盡量避免增加工藝的復(fù)雜性，采取的主要措施為加大床身底面的支撐面積父腕，同時(shí)針對(duì)靜力變形較大的主要承載部位弱匪，對(duì)其床身底部對(duì)應(yīng)位置的回型筋板進(jìn)行填充和加固處理。優(yōu)化前后模型對(duì)比如圖5璧亮。

圖5優(yōu)化前后模型對(duì)比

優(yōu)化后的模型模態(tài)分析結(jié)果與優(yōu)化前對(duì)比如表2所示萧诫，各階固有頻率均有較大提高，且相近固有頻率下床身的變形情況改善明顯杜顺，振型圖如圖6所示财搁。靜力分析結(jié)果如圖7所示，最大變形量為5．74μm卿才，與優(yōu)化前相比蝉丧，變形量減少約4μm。

表2床身模型優(yōu)化前本博、后前三階結(jié)果對(duì)比

圖6模型優(yōu)化后前三階模態(tài)振型圖

圖7模型優(yōu)化后的靜力分析結(jié)果

3．2X軸導(dǎo)向滑座動(dòng)態(tài)特性分析及優(yōu)化

3．2．1X軸導(dǎo)向滑座模型簡(jiǎn)化與處理

3．2．2X軸導(dǎo)向滑座動(dòng)態(tài)特性及靜力分析

結(jié)合X軸導(dǎo)向滑座在機(jī)床整體布局中的受力特點(diǎn)就留，重點(diǎn)分析其在X方向的振型及受力變形情況。前3階模態(tài)固有頻率與振型描述如表3所述何大，各階振型如圖8所示拭奖。靜力分析結(jié)果如圖9所示，最大變形量為11．6μm摇蝗，前側(cè)主要受力部位變形明顯萧状。

表3X軸導(dǎo)向滑座前3階固有頻率及振型

圖8模型優(yōu)化后前三階模態(tài)振型圖

圖9靜力分析結(jié)果

3．2．3模型優(yōu)化及改進(jìn)結(jié)果

分析結(jié)果可知，低階X軸導(dǎo)向滑座前側(cè)變形量較大裆蛆，會(huì)嚴(yán)重影響刀具的位置精度捣兄。觀察其機(jī)構(gòu)可知，X軸滑座的前側(cè)中間位置設(shè)計(jì)了一段凹槽啼术，如圖9中棕色變形位置中間稍浆。結(jié)合加工中心整體布局及各部件運(yùn)動(dòng)要求，發(fā)現(xiàn)此段凹槽并無(wú)特殊工藝要求猜嘱，且考慮到處為承受X軸滑座及主軸重量的主要部位衅枫，應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，盡量減少變形朗伶。因此弦撩，設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)對(duì)凹槽位置進(jìn)行了填補(bǔ)，模型對(duì)比如圖10腕让。

圖10優(yōu)化前后模型對(duì)比

對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行了分析孤钦，其模態(tài)分析結(jié)果與優(yōu)化前對(duì)比如表4所示，各階固有頻率均有較大提高纯丸，且相近固有頻率下床身的變形情況改善明顯偏形，振型圖如圖11所示。靜力分析結(jié)果如圖12所示觉鼻，最大變形量為6．9μm俊扭，與優(yōu)化前相比，減少約4．7μm坠陈。

表4X軸導(dǎo)向滑座模型優(yōu)化前贝泞、后前三階結(jié)果對(duì)比

圖11模型優(yōu)化后前三階模態(tài)振型圖

圖12模型優(yōu)化后的靜力分析結(jié)果

綜上所述，對(duì)床身和X軸導(dǎo)向滑座優(yōu)化后蘸错，其固有頻率明顯提高牡罚，靜力變形量有所減少俯炮。因此，該實(shí)例的優(yōu)化方案合理可行缰伶，達(dá)到了改善加工中心剛度敦浅、穩(wěn)定性的效果，有效提升了機(jī)床整體的加工性能壮煎。

4赛琢、結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用環(huán)境的特殊性決定了航空零件制造以及生產(chǎn)設(shè)備的特殊性。相比于一般的零件制造触迄，面向航空應(yīng)用的零件悴碳，其制造精度要求更嚴(yán)格，工藝過(guò)程更為復(fù)雜惦参，制造設(shè)備的剛度及穩(wěn)定性要求更高灾囊。本文以葉片五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心為例，對(duì)其主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性及靜力分析腥刹，并對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化疯特。優(yōu)化前、后結(jié)果對(duì)比肛走，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性漓雅，為之后的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

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