超薄整體風(fēng)力葉輪高效加工技術(shù)研究

褚守云

（常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，常州 213164）

0 引言

整體葉輪常見(jiàn)結(jié)構(gòu)有開(kāi)式、半開(kāi)式和閉式等，其加工技術(shù)是一直機(jī)械制造領(lǐng)域重要的研究對(duì)象，目前整體葉輪的主流加工工藝為借助CAD/CAM技術(shù)，利用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床實(shí)現(xiàn)葉輪的高速切削加工[1,2]。

常用CAD/CAM軟件如Pow erm ill、UG、Mastercam軟件對(duì)葉輪這種特別的零件都有定制的專用模塊，用戶只要根據(jù)要求選擇相關(guān)的曲面、走刀方式、切削參數(shù)，軟件就可以自動(dòng)完成零件的刀路設(shè)計(jì)，這種模塊實(shí)際上是針對(duì)某一類具有共同特征零件開(kāi)發(fā)的智能專家加工系統(tǒng)。但受五軸加工設(shè)備的限制，該技術(shù)存在一些難以突破的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為生產(chǎn)成本高、加工效率低、葉輪的尺寸規(guī)格受到限制，葉片的切削系統(tǒng)剛性差，加工過(guò)程中易產(chǎn)生振動(dòng)，特別是開(kāi)式葉輪，其葉片的厚度以及寬度受到嚴(yán)格的控制。

圖1 風(fēng)力葉輪

1 超薄整體風(fēng)力葉輪的結(jié)構(gòu)分析

圖1是某單位要求實(shí)現(xiàn)高效低成本加工的風(fēng)力葉輪，材料為固溶處理的硬鋁合金，從結(jié)構(gòu)看，該葉輪也屬于開(kāi)放式整體葉輪，但又不同于常見(jiàn)葉輪，其五片均勻分布的葉片是幾乎垂直于輪轂的軸向，葉片的形狀為按一定規(guī)律變化的扭曲狀曲面，葉片既寬又長(zhǎng)，為減小不平衡量，葉片被設(shè)計(jì)成超薄結(jié)構(gòu)，葉片的中間最厚部分為1.5mm，兩邊最薄部分只有0.3mm，剛性極差，在加工過(guò)程中極易變形和振動(dòng)。

2 超薄整體風(fēng)力葉輪的加工難點(diǎn)分析

解決超薄整體風(fēng)力葉輪高效低成本加的關(guān)鍵是提高工件的剛性以及加工設(shè)備的選擇。

由于葉片的剛性極差，提高工件的剛性必須從設(shè)備、刀具、夾具、工件等方面入手綜合考慮，合理制訂出加工工藝，提高葉片的系統(tǒng)剛性，常見(jiàn)的增加葉片剛性的方式是在葉片的外輪廓添加工藝環(huán)如圖2所示，待整個(gè)葉輪加工完畢再去除工藝環(huán)，但由于葉片邊緣太薄，實(shí)際加工時(shí)刀具還是要破壞葉片輪廓，也有考慮在加工過(guò)程中適時(shí)增加填充物[3]，以增加葉片的剛性，但這種方法耗時(shí)長(zhǎng)，不能滿足正常生產(chǎn)要求。

關(guān)于設(shè)備選擇，五軸加工中心是常規(guī)的選擇，但其生產(chǎn)成本高，且能加工的零件規(guī)格限制比較大，無(wú)法滿足要求，再加上目前企業(yè)還沒(méi)有購(gòu)買這樣的設(shè)備，三軸加工中心成為主要的選擇。

圖2 增加工藝環(huán)的葉輪

圖3 正面輔助曲面和干涉面的設(shè)計(jì)

3 超薄整體風(fēng)力葉輪的刀路設(shè)計(jì)

基于以上分析，必須尋找一種方法，利用三軸立式加工中心，既能提高提高葉片的剛性，又能滿足生產(chǎn)要求的高效低成本工藝，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，我們根據(jù)葉片的整體結(jié)構(gòu)，將葉片剖分成上、下兩個(gè)加工面，即正面和反面，然后在適當(dāng)?shù)奈恢锰砑右恍┹o助曲面和干涉面，利用Mastercam軟件設(shè)計(jì)一種刀路，這種刀路保證葉輪在粗加工是所有葉片都還是一個(gè)整體，只有在最后一面精加工時(shí)，保證刀具走到哪兒，葉片分離到哪兒，而且要求葉片分離的方向是由外向里移動(dòng)，這樣就保證葉片在加工過(guò)程中未精加工部分始終是一個(gè)整體，使葉輪保持足夠的剛性，滿足加工要求。如圖3所示為所設(shè)計(jì)的葉輪正面輔助曲面和干涉面，為提高葉輪的加工效率，葉片的粗加工刀路設(shè)計(jì)為插銑加工，精加工刀路設(shè)計(jì)為平行銑削如圖4所示，葉輪正反面的實(shí)體加工模擬仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖4 葉輪的平行銑削刀路

圖5 葉輪正面的模擬加工

圖6 葉輪反面的模擬加工

4 整體葉輪的切削振動(dòng)控制

為保證工藝方案的可靠性，選擇大連機(jī)床廠生產(chǎn)的VDF850立式加工中心進(jìn)行切削試驗(yàn)，配置國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)。精銑刀具為8mm涂層硬質(zhì)合金球刀，由于葉片超薄，在實(shí)際切削過(guò)程中還是出現(xiàn)了切削振動(dòng)，工件表面出現(xiàn)振痕如圖7所示，嚴(yán)重影響葉片的加工質(zhì)量。

由于產(chǎn)生切削振動(dòng)的因素很復(fù)雜[4,5]，在加工設(shè)備及數(shù)控操作系統(tǒng)選定的條件下，銑削加工產(chǎn)生振動(dòng)的主要因素是刀具和銑削參數(shù)。為了消除振動(dòng)，一般采用降低銑削參數(shù)的方法，這使得機(jī)床、刀具的性能得不到充分的發(fā)揮，降低了生產(chǎn)效率。為此必須對(duì)產(chǎn)生加工振動(dòng)的因素進(jìn)行分析、優(yōu)化。根據(jù)機(jī)床最高轉(zhuǎn)速和刀具精加工的切削參數(shù)設(shè)計(jì)若干組切削速度、進(jìn)給速度和背吃刀量進(jìn)行切削試驗(yàn)，利用振動(dòng)采集機(jī)床的振動(dòng)信號(hào)，利用交流功率傳感器采集機(jī)床主軸的瞬時(shí)功率，然后計(jì)算出加工時(shí)實(shí)際扭矩：M=9549P/S。

式中: M 為扭矩，單位(N·m)；P 為主軸功率．單位(kW)，S 為主軸轉(zhuǎn)速，單位(r/m in)。

通過(guò)比較實(shí)際扭矩M與k M額的大小，（其中：k為機(jī)床的切削負(fù)載系數(shù)，M額為機(jī)床的額定扭矩）調(diào)整切削參數(shù)，采用0.618迭代法確定最優(yōu)的切削參數(shù)如下：切削速度n=5500rpm，進(jìn)給速度f(wàn)=4000mm/m in背吃刀量ap=0.12mm，優(yōu)化后的葉片表面質(zhì)量如圖8所示。

除了切削參數(shù)，數(shù)控系統(tǒng)的好壞也是影響切削振動(dòng)的關(guān)鍵因素。數(shù)控系統(tǒng)不光要具備很高的數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲(chǔ)及傳輸?shù)哪芰Γ蕴幚泶罅康牟逖a(bǔ)和控制數(shù)據(jù)，更要具備強(qiáng)大的前瞻功能，以保持最佳的進(jìn)給速度和加速度的穩(wěn)定性，保證刀具在切削過(guò)程中狀態(tài)平穩(wěn)，減少震顫[6,7]。車間現(xiàn)有同類型加工中心的數(shù)控系統(tǒng)有華中、FANUC和SIMENS，試驗(yàn)證明，采用優(yōu)化過(guò)的銑削參數(shù)在不同的數(shù)控系統(tǒng)上加工，表面質(zhì)量具有明顯的差異，相比其他系統(tǒng)，SIMENS系統(tǒng)略勝一籌，圖9所示為配作SIMENS系統(tǒng)的加工中心加工的葉片，其表面光滑，滿足技術(shù)要求，葉輪最終加工的產(chǎn)品狀態(tài)如圖10所示。

圖7 葉片表面的切削振痕

圖8 優(yōu)化切削參數(shù)后表面

圖9 選擇SIMENS系統(tǒng)的表面

圖10 葉輪的成品狀態(tài)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)開(kāi)式超薄整體風(fēng)力葉輪的結(jié)構(gòu)分析，利用Mastercam軟件在三軸加工中心實(shí)現(xiàn)了葉輪的高效低成本加工，實(shí)踐證明該工藝切實(shí)可行，突破了該類型葉輪對(duì)加工設(shè)備規(guī)格的限制，為大規(guī)格、超薄葉輪的加工提供了一種新思路。

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