整體分流葉輪五軸加工的工藝設(shè)計(jì)

刁文海

（廣州市機(jī)電技師學(xué)院，廣東廣州510000）

整體分流葉輪五軸加工的工藝設(shè)計(jì)

刁文海

（廣州市機(jī)電技師學(xué)院，廣東廣州510000）

整體分流葉輪廣泛地應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域，是壓縮機(jī)和推進(jìn)器的重要零件。針對(duì)葉輪的應(yīng)用及加工現(xiàn)狀，從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)到生產(chǎn)加工實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了技術(shù)難點(diǎn)總結(jié)。通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)數(shù)控技術(shù)，采用五軸聯(lián)動(dòng)設(shè)備加工整體分流葉輪，避免了使用傳統(tǒng)加工方法存在的加工質(zhì)量難控制、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。以“校企合作”的辦學(xué)模式為平臺(tái)，引進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品，實(shí)踐過(guò)程中消除了表面光潔度要求高、常規(guī)工藝生產(chǎn)效率低的加工難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了整體分流葉輪的高效率、高精度加工。

整體分流葉輪；切削參數(shù)；加工效率；加工策略?xún)?yōu)化

整體葉輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，氣體經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入工作輪，在工作輪中因受到葉片的作用力而壓力升高，速度增加。因此，對(duì)葉輪的要求有以下2點(diǎn)：①氣體流過(guò)葉輪的損失要小，即氣體流經(jīng)葉輪的效率要高；②葉輪型式能使整機(jī)性能曲線的穩(wěn)定工況區(qū)、高效區(qū)范圍較大。其加工成為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但由于整體葉輪結(jié)構(gòu)具有的復(fù)雜性，數(shù)控加工技術(shù)一直是制造行業(yè)的難點(diǎn)。所以，復(fù)雜曲面的五軸加工技術(shù)一直是數(shù)控加工領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

1 工藝方案分析

整體分流葉輪作為機(jī)械的關(guān)鍵零件，經(jīng)常應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，對(duì)制造的技術(shù)要求及水平非常高，制造質(zhì)量對(duì)葉輪的性能有著重要影響。為了獲得理性的動(dòng)力學(xué)特性，整體葉輪葉片大都采用大扭角，根部圓角等結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)銑削加工非常困難。

1.1 零件圖紙及結(jié)構(gòu)分析

零件的毛坯材料為鋁合金6061，是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)鋁合金，其強(qiáng)度雖不能與2XXX系或7XXX系相比，但其鎂、硅合金特性多，具有優(yōu)良的焊接特點(diǎn)及電鍍性、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形、材料致密無(wú)缺陷及易于拋光等優(yōu)良特點(diǎn)。由于需要加工數(shù)量為100件，屬于小批量生產(chǎn)加工，而且零件的尺寸不大，因此，選用鍛壓鋁料，經(jīng)普通數(shù)控車(chē)床加工成葉輪回轉(zhuǎn)體的基本形狀。零件需要加工的部位是整體分流葉輪葉片，其曲面加工質(zhì)量要求較高，主要定位基準(zhǔn)面為底部，所以，可以根據(jù)其底部特征設(shè)計(jì)裝夾方式。

整體分流葉輪主要由葉片與輪轂兩部分組成，其中，葉片與輪轂交界處稱(chēng)為葉根，由于葉輪的氣動(dòng)性能的需要，常將此處加工為變圓角過(guò)渡。

1.2 葉輪加工難點(diǎn)分析

整體分流葉輪加工槽道變窄，而葉片相對(duì)較長(zhǎng)，剛性相對(duì)較低，刀具剛性較差，屬典型的薄壁類(lèi)零件，加工過(guò)程中易發(fā)生變形；葉片距小，特別是最小處深度較大，此時(shí)，使用小刀加工的剛性差，易折斷；葉輪曲面為自由曲面，流道窄，葉片扭曲嚴(yán)重，加工時(shí)極易發(fā)生干涉；葉片厚度較小，最小厚度為1 mm，在加工過(guò)程中容易引起振動(dòng)，影響表面加工質(zhì)量。

1.3 葉輪加工技術(shù)要求

整體分流葉輪的技術(shù)要求內(nèi)容與常規(guī)零件相同，包括形狀、尺寸、位置、粗糙度等。為了獲得良好的氣動(dòng)性能，葉輪葉片表面必須具有良好的光順性，精度要求集中于葉片，輪轂的表面與葉根處，表面粗糙度值要求小于Ra0.8 μm。

1.4 工藝制定及工序安排

1.4.1 葉輪粗加工

快速去除零件大部分多余材料，在保證整體葉輪制造質(zhì)量的前提下，效率是非常重要的指標(biāo)。

1.4.2 葉片半精加工

實(shí)際加工測(cè)量表明，葉輪在粗加工后，往往由于粗加工過(guò)程中材料內(nèi)部應(yīng)力釋放，造成應(yīng)力變形，影響葉輪的外形尺寸，因此，為了嚴(yán)格保證葉輪尺寸精度及預(yù)留均勻的精加工余量，則必須在粗精加工之間安排半精加工。

1.4.3 輪轂面粗加工

輪轂面粗加工與葉片半精加工相同，都是為了嚴(yán)格保證葉輪尺寸精度及預(yù)留均勻的精加工余量，特別是葉片底部的R角部分余量。

1.4.4 輪轂面精加工

輪轂面精加工采用往復(fù)切削的方式，使加工沿葉輪流道方向雙向往復(fù)加工，在切削過(guò)程中順銑逆銑交叉進(jìn)行，加工效率較高。

1.4.5 葉片精加工

由于精銑加工存在不穩(wěn)定切削狀態(tài)，應(yīng)在某些工序合理選擇切削參數(shù)，選擇合適的精加工刀具，特別當(dāng)具有小批量生產(chǎn)時(shí)，要求加工的刀具切削性能穩(wěn)定。

2 葉輪加工夾具設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)步驟

夾具設(shè)計(jì)緊緊圍繞葉輪下部的M10螺紋以及直徑Φ133.56 mm外圓進(jìn)行。零件圖紙中有一個(gè)厚度尺寸為3±0.02 mm，基準(zhǔn)是直徑Φ133.56 mm的端面，所以，夾具設(shè)計(jì)使用直徑Φ133.56 mm的端面作定位，同時(shí)，限制Z軸方向上的自由度。為了提高葉輪的定位精度，保證3±0.02 mm的厚度尺寸，設(shè)計(jì)的夾具中避開(kāi)了大面定位，采用3塊小面定位。為了保證參與定位的3個(gè)基準(zhǔn)面與工作臺(tái)的平行度，這3個(gè)基準(zhǔn)面需要在機(jī)床上加工。葉輪的夾緊主要依靠2個(gè)部分，即葉輪下面的M10螺紋、直徑為Φ133.56的外圓。上述3個(gè)基準(zhǔn)面解決了葉輪Z軸方向上的定位和限位。為了使葉輪能夠穩(wěn)定加工，還要限制葉輪在X軸和Y軸上的移動(dòng)自由度。在夾具上設(shè)計(jì)了一個(gè)直徑為Φ133.58的圓形沉頭，深度為2 mm，因?yàn)镸10的螺紋只有在Z軸方向上有鎖緊功能，沒(méi)有定位功能，更不能提供X軸和Y軸方向上的夾緊，所以，在夾具設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)了加緊機(jī)構(gòu)，通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)直徑Φ133.56外圓的加緊。

2.2 夾具加工及安裝

根據(jù)上述夾具設(shè)計(jì)內(nèi)容、尺寸要求，先在數(shù)控車(chē)床上完成夾具體的車(chē)削加工，再到五軸加工中心進(jìn)行銑部分加工。

3 加工刀具路徑編制

3.1 軟件選用

針對(duì)復(fù)雜型面零件的數(shù)控加工，由于數(shù)據(jù)煩瑣，一般采用通用CAM自動(dòng)編程軟件，利用軟件提供的各種加工策略來(lái)進(jìn)行編程。本案例中采用由英國(guó)Delcam公司開(kāi)發(fā)的Delcam PowerMill 2012進(jìn)行自動(dòng)編程。PowerMill功能齊備，加工策略極其豐富，適用廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，獨(dú)有的最新5軸加工策略等，加上其計(jì)算速度極快，為使用者提供了極大的靈活性，先進(jìn)的加工切削實(shí)體仿真，可降低上機(jī)床實(shí)際試切的加工成本。

3.2 刀柄選用

為了提高加工效率，應(yīng)盡量選用大的球頭刀來(lái)進(jìn)行葉片的粗加工。由于該分流葉輪葉片曲面均為自由曲面，曲率變化大，葉輪流道狹窄，極易發(fā)生加工刀具與葉片碰撞干涉的問(wèn)題，因此，刀具必須伸出足夠的長(zhǎng)度；一旦刀具懸伸過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致刀具剛性不足。因此，該案例中擬采用SK夾持刀具對(duì)葉輪葉片及輪轂進(jìn)行精加工，經(jīng)過(guò)加工驗(yàn)證，應(yīng)優(yōu)化刀柄的選擇，具體如圖1所示。

4 仿真驗(yàn)證與首件加工

經(jīng)過(guò)VERICUT仿真軟件驗(yàn)證的NC程序可以在設(shè)備上進(jìn)行切削加工，按照前期工藝分析、編程及VERICUT仿真軟件確定的夾具、刀具、刀柄按照要求安裝到機(jī)床上，建立工件坐標(biāo)系即可加工，葉輪加工效果圖如圖2所示。

圖1 SK刀柄

圖2 葉輪加工效果圖

5 優(yōu)化加工工藝

5.1 刀柄的選擇

隨著數(shù)控加工設(shè)備和數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，為了適應(yīng)各種主軸接口和各種應(yīng)用場(chǎng)合，刀柄的類(lèi)型變得多種多樣，根據(jù)葉輪首件打樣的情況具體分析、工藝優(yōu)化后，再選擇熱縮刀柄裝夾刀具對(duì)葉輪加工。

5.2 刀具的選擇

刀具材料的選擇需要根據(jù)不同的工件材料來(lái)確定加工刀具的材料，是否需要使用帶涂層的刀具等。在葉輪加工中，從葉輪的結(jié)構(gòu)特征看，所有的葉片都是連接在一體的。為了保證各個(gè)葉片加工的一致性和質(zhì)量的穩(wěn)定性，選擇的刀具必須要有較高的耐磨性。加工葉輪的材料是鋁，所以，選擇硬質(zhì)合金刀具，不使用涂層刀具是因?yàn)槠浔容^鈍，不鋒利，易引起葉片受力變形。

5.3 刀路優(yōu)化

我們可以通過(guò)以下方法提高葉輪的加工效率：①選擇不同直徑的刀具分層開(kāi)粗；②精加工時(shí)靠近葉片外側(cè)的面可以使用大直徑的球刀精加工，加工到子葉片與主葉片之間距離較短的區(qū)域時(shí)，更換半徑較小的刀具繼續(xù)向葉片根部精加工，大的刀具切削行距、步距相對(duì)小直徑刀大很多，所以，加工效率會(huì)提高。

6 結(jié)論

綜上所述，葉輪的五軸數(shù)控加工中心加工是當(dāng)前數(shù)控加工領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)研究中不可或缺的重要內(nèi)容，代表著機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展方向和趨勢(shì)。

本設(shè)計(jì)主要以整體分流葉輪多軸加工的工藝設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，以提高整體葉輪加工效率，保證整體葉輪加工精度為研究目的，對(duì)葉輪的數(shù)控加工工藝解決方法進(jìn)行了深入研究，并對(duì)整體葉輪加工工藝的多個(gè)因素進(jìn)行了分析和介紹，選定了加工方案，最后保質(zhì)保量、高效率地完成了整體分流葉輪生產(chǎn)加工。以上的整體分流葉輪加工工藝的優(yōu)化結(jié)果已運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)，希望得到各位同行的意見(jiàn)與建議。

［1］戚家亮，安魯陵，修春松.整體葉輪五軸數(shù)控插銑加工刀位軌跡生成算法研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（11）.

［2］鄭才國(guó)，鄭菲，唐克巖，等.整體葉輪數(shù)控加工工藝的研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2015（11）.

〔編輯：張思楠〕

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.113

2095－6835（2017）19－0113－03