不銹鋼三元葉輪加工效率提升的影響因素分析

魏國家 裴立群 畢海波 孫 雨

(沈陽鼓風機集團股份有限公司)

不銹鋼三元葉輪加工效率提升的影響因素分析

魏國家 裴立群 畢海波 孫 雨

(沈陽鼓風機集團股份有限公司)

三元葉輪是壓縮機轉(zhuǎn)子部件最難加工的零件，而加工效率問題一直是三元葉輪制造過程中的難題。本文從幾個方面著重分析了影響制約三元葉輪加工效率的關(guān)鍵因素，指出了提高葉輪加工效率應(yīng)從多方面入手綜合考慮各個因素，為今后解決葉輪加工效率問題提供了可行的參考依據(jù)。

三元葉輪；加工效率；影響因素

0 引言

隨著壓縮機在國民經(jīng)濟各個行業(yè)的廣泛應(yīng)用，壓縮機中三元葉輪的數(shù)量也不斷增多，見圖1。由此帶來了一個新的課題，如何提高不銹鋼三元葉輪的加工效率和降低刀具成本，這個問題已擺在了專業(yè)技術(shù)人員面前，亟待解決。

不銹鋼三元葉輪的加工效率受到許多因素影響，要綜合考慮加工效率、機床動力、加工成本三個方面，此三方面因素達到一種平衡才是最優(yōu)，偏向任何一方都容易造成另外兩種最佳功能的喪失。根據(jù)這個原則和筆者多年的加工經(jīng)驗，列出以下幾個重要的影響因素，以供大家討論參考。

1 數(shù)控加工方法的影響

首先，數(shù)控加工方法是重要的因素之一。三元葉輪材料為馬氏體沉淀硬化不銹鋼，最初使用高速鋼刀、采用大切深、小進給五軸聯(lián)動的加工方式。但這種方法存在吃刀量大、進給速度慢以及對機床主軸傷害大的缺點。以直徑20mm高速鋼為例，加工三元葉輪時進給速度一般在20～30mm/min，切深為10～15mm。

經(jīng)過不斷試驗，探索找出與葉輪材料匹配的刀具最優(yōu)切削參數(shù)，使進給速度最大化，實現(xiàn)五軸高速銑加工方式，葉輪的加工效率有一定提升。五軸高速銑在數(shù)控編程方法上有質(zhì)的變化。以直徑20mm高速銑刀為例，以進給速度1 000～1 200mm/min加工三元葉輪，切深0.3～0.5mm，但在生產(chǎn)實際應(yīng)用中，五軸高速銑也沒有全面擺脫切削徑向力較大的弊端。

圖1 壓縮機的三元葉輪圖Fig.1 Three-dimensional impeller of compressor

為了消除由于徑向力較大而引起的機床主軸孔磨損過快的問題，在數(shù)控加工方法和刀具上又進行了深入的改進。由五軸聯(lián)動發(fā)展為兩個旋轉(zhuǎn)軸鎖定、三個直線軸聯(lián)動的“3+2軸高速銑”編程工藝方法[1-2]，同時使用快進給銑刀，采用小切深切削方式，從而大大地減少了徑向力以及扭矩，使切削更輕快，機床振動降低，主軸孔磨損減輕，加工效率大幅提高，刀具消耗明顯減少。隨著3+2軸高速銑方法的成熟應(yīng)用，如圖2所示，機床主軸受力由徑向力變?yōu)檩S向受力，從而使機床主軸損耗降低，加工效率明顯的提升。直徑20mm的高速銑刀具銑制三元葉輪時進給速度可以達到2000～2500mm/min，切深0.4～0.6mm。

為了進一步提高效率，必須在粗加工中提高單位時間金屬去除量，鉆、插銑的工藝方法進入到三元葉輪粗加工改善的行列中。鉆、插銑的基礎(chǔ)是高速銑，只有在高速銑的基礎(chǔ)上，鉆、插銑才得以發(fā)揮，否則會事倍功半。鉆、插銑的技術(shù)關(guān)鍵是鉆銑的排刀方式、如何避免半孔鉆削受力不平衡的情況出現(xiàn)，以及避免發(fā)生插銑頂?shù)叮@兩項關(guān)鍵技術(shù)。在鉆銑的基礎(chǔ)上再進行插銑加工，在鉆、插銑過程中，機床主軸是軸向受力，非常適應(yīng)機床功率、扭矩的充分發(fā)揮。鉆、插銑的單位時間金屬去除量遠遠大于高速銑的加工，從而提高整個葉輪的加工效率。

圖2 3+2軸高速銑圖Fig.2 3+2 axises high speed milling

2 加工刀具的影響

其次，三元葉輪銑削加工效率除了與數(shù)控工藝方法有很大關(guān)系外，還與刀具關(guān)系密切[3]。刀具的類型、形狀、減振性，刀片的材質(zhì)、涂層等因素對加工效率的提高密不可分。舉例說明，使用鑲多邊形刀片的刀具切削力明顯小于鑲圓刀片的刀具；使用減振刀桿刀具比使用非減振刀桿刀具的振動顯著減少。隨著國內(nèi)外刀具廠商的不斷研究，刀具在品種、切削性能、耐磨度幾方面持續(xù)改善，勢必對三元葉輪的加工效率提高有極大的促進。

3 材料處理工藝的影響

再次，三元葉輪的加工效率與葉輪本身的材質(zhì)和熱處理工藝聯(lián)系密切。葉輪的材質(zhì)與熱處理后的材料狀態(tài)對葉輪加工的影響十分顯著。葉輪的材質(zhì)直接關(guān)系到熱處理后的材料硬度、切削性能對刀具的消耗、加工的時間長短。在實際加工生產(chǎn)中，奧氏體不銹鋼切削效果要好于馬氏體不銹鋼的，不論是奧氏體還是馬氏體不銹鋼，硬度每減少10HB，經(jīng)驗進給速度值提升5%～10%。

4 葉輪設(shè)計結(jié)構(gòu)的影響

最后，葉輪的加工效率與葉輪葉片的數(shù)量，葉片的扭曲程度密不可分。相對于國外廠家設(shè)計的葉輪，國內(nèi)廠家設(shè)計的葉輪葉片數(shù)量多，葉片的扭曲程度大，這給葉輪加工增添了困難，加工時間明顯增加。因此，設(shè)計葉輪時，葉輪結(jié)構(gòu)的可加工性是每一名設(shè)計研發(fā)者必須要考慮的問題。在與國外企業(yè)合作中發(fā)現(xiàn)，同樣機組，國外廠家的機組所用葉輪為13～15個葉片，而我們國內(nèi)機組所用葉輪達到19～21個葉片，而且葉片還特別扭曲，顯然這給加工增添了很大難度。

5 其他因素的影響

除了上述四點重要影響因素外，還有其他的影響因素。例如機床的功率和主軸扭矩是否發(fā)揮到最佳狀態(tài)，以瑞士斯德拉格公司生產(chǎn)的STC1250型號五軸加工中心為例，它的輸出功率為37kW，在加工三元葉輪時，加工過程中機床的使用功率在輸出功率的20%～30%波動是發(fā)揮機床效能最好的范圍。

還有機床與刀具共振現(xiàn)象的降低等問題，也成為專業(yè)技術(shù)人員越來越熱衷研究的課題?，F(xiàn)在國內(nèi)外有很多廠家推出了此類軟件用于機床的自適應(yīng)系統(tǒng)，國內(nèi)很多高校對此類問題的研究也樂此不疲。

無論有多少影響因素，歸根結(jié)底，就是要求機床、刀具、數(shù)控工藝方法和諧統(tǒng)一，顧此失彼將事倍功半，所以說三元葉輪的加工沒有絕對的最好方案，只有相對的最佳方案。

隨著編程軟件、五軸機床、專用刀具的不斷發(fā)展，三元葉輪加工效率提升的辦法也越來越豐富，加工效率不斷被推動提升。

目前，整體銑制機械加工三元葉輪（如圖3所示）的方法已經(jīng)不能滿足葉輪的設(shè)計要求，電火花特種加工（如圖4所示）、3D打印的方法在三元葉輪制造中孕育而生，尤其是特種加工方法已經(jīng)應(yīng)用于三元葉輪加工，那么特種加工三元葉輪的加工效率也逐漸進入了專業(yè)技術(shù)人員的視野，由此看來，三元葉輪加工效率的提升還要繼續(xù)不斷的走下去，任重而道遠。

圖3 整體銑制加工三元葉輪圖Fig.3 Integral milled closed impeller

圖4 電火花特種加工三元葉輪圖Fig.4 EDM three-dimensional impeller

6 結(jié)論

葉輪的加工效率受多方面因素共同影響。若想使葉輪加工效率顯著提升，需要從葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、材料熱處理、數(shù)控工藝方法、刀具開發(fā)和特種加工技術(shù)研究等幾個方面綜合考慮。

[1]裴立群,魏國家,畢海波.直線軸聯(lián)動銑制三元葉輪方法研究[J].風機技術(shù),2013（2）:49-51.

[2]魏國家,裴立群,雍建華，等.開式三元葉輪高效數(shù)控粗加工策略研究[J].風機技術(shù),2012（1）:48-51.

[3]董雷,魏國家,惠洪杰,等.基于小波包分析的銑刀狀態(tài)監(jiān)測方法研究[J].風機技術(shù),2011（5）：37-41.

Efficiency Analysis of the Machining of a Stainless Steel 3D Impeller

Guo-jia WeiLi-Qun PeiHai-bo BiYu Sun
(Shenyang Blower Works Group Corporation)

The 3D impeller is the most difficult component of the compressor for the machining，and the efficiency of the machining is the critical problem in the manufacturing process.This paper reveals several important influencing factors with respect to the machining efficiency,which should be considered comprehensively to improve it.

impeller;machining efficiency;influence factors

TH16；TK05

：1006-8155-(2017)01-0079-03

ADOI：10.16492/j.fjjs.2017.01.0011

2016-08-21 遼寧 沈陽 110869