雙級(jí)軸流微渦輪氣動(dòng)主軸加工工藝研究與優(yōu)化

劉 江 郭志平 賀向新 苗淑靜

(①內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； ②內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

軸流式微渦輪氣動(dòng)主軸作為微機(jī)床的核心部件在微加工中應(yīng)用廣泛[1-4]。微渦輪作為軸流式微渦輪氣動(dòng)主軸的關(guān)鍵零件，其特征尺寸屬于介觀尺度，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高、加工難度大等特點(diǎn)[5-6]。國(guó)內(nèi)外對(duì)微渦輪的加工展開了深入的研究，其加工工藝主要分為3類：第一類是MEMS微加工技術(shù)，如美國(guó)麻省理工學(xué)院[7-8]設(shè)計(jì)的微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直徑為4.2 mm的徑流渦輪，柵距僅為0.225 mm，新加坡研究機(jī)構(gòu)[9-10]設(shè)計(jì)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直徑為8.4 mm，葉片厚度為0.74 mm，都是采用硅微刻蝕技術(shù)加工。該技術(shù)適合批量化生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較低，但葉片只能為2D等截面；第二類是基于電化學(xué)或電腐蝕原理發(fā)展起來的加工方法，如等離子加工、激光加工和電火花加工等[11-12]。比利時(shí)天主教魯汶大學(xué)研制的微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，采用軸流噴嘴和轉(zhuǎn)子，直徑為10 mm，采用電火花加工而成[13]。該類方法可以加工較小的零件，但加工效率較低，雖然可以通過三維電極來加工，但電極本身尺度為微尺度，加工難度較大，所以該類方法批量化生產(chǎn)的效率較低；第三類加工方法是微切削技術(shù)。Liu kun[13]等選用直徑為1 mm的球頭銑刀，在通用五軸加工中心完成了外徑為20 mm的離心渦輪加工。日本東北大學(xué)選用球頭銑刀在五軸精密加工中心實(shí)現(xiàn)了微渦輪的加工[14-15]，取得了較好的效果。微切削加工以多軸數(shù)控精密專用機(jī)床為平臺(tái)進(jìn)行加工，可以獲得較好的表面粗糙度和精度，加工效率高，適合加工介觀尺度的三維葉型的渦輪[16]，但相關(guān)論文主要研究微切削加工的可行性，沒有對(duì)加工工藝與加工效率進(jìn)行深入的研究，研究成果也沒有較好的推廣性。

本文以雙級(jí)軸流式微渦輪氣動(dòng)主軸用微渦輪為研究對(duì)象，以微切削技術(shù)為基礎(chǔ)，提出一種基于通用加工中心的高效的、可批量化生產(chǎn)微渦輪的數(shù)控加工工藝及效率提升方法。

1 雙級(jí)軸流微渦輪氣動(dòng)主軸結(jié)構(gòu)

1.1 氣動(dòng)主軸結(jié)構(gòu)

雙級(jí)軸流微渦輪氣動(dòng)主軸以壓縮空氣為動(dòng)力推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)鉆頭、銑刀、磨頭等工具工作，實(shí)現(xiàn)氣體壓縮能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。其剖面圖如圖1所示。

1.2 微渦輪葉型參數(shù)

本樣機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速100 000 r/min，噴嘴與渦輪外徑為20 mm，葉型參考標(biāo)準(zhǔn)葉型類比設(shè)計(jì)，噴嘴和轉(zhuǎn)子的葉片數(shù)分別為12、11、12、13，相鄰渦輪的葉片數(shù)互質(zhì)?？紤]到加工裝配的經(jīng)濟(jì)性，葉片轉(zhuǎn)子與外殼的間隙為50 μm，噴嘴二與轉(zhuǎn)軸的間隙為40 μm，噴嘴和轉(zhuǎn)子的葉型參數(shù)如表1所示。

表1 噴嘴、轉(zhuǎn)子葉型參數(shù)

1.3 關(guān)鍵零件材料選用

為保證噴嘴、轉(zhuǎn)子和外殼有相同的熱膨脹率，避免卡死，外殼、渦輪與噴嘴選用牌號(hào)為7075的鋁合金，主軸轉(zhuǎn)軸選用SUS304不銹鋼。氣動(dòng)主軸工作時(shí)要承受軸向力和徑向力，所以前后軸承選用德國(guó)GRW公司生產(chǎn)的氧化硅陶瓷主軸軸承，型號(hào)分別SV786 CTA、HYSV789 CTA，接觸角為15°，兩個(gè)軸承裝配后可允許的最高轉(zhuǎn)速為130 000 r/min，能夠承受的最大軸向力為300 N。

2 關(guān)鍵零件的加工與制造

2.1 毛坯準(zhǔn)備和加工設(shè)備選擇

轉(zhuǎn)軸毛坯為φ10 mm×66 mm的不銹鋼棒料，殼體毛坯為φ35 mm×85 mm的合金鋁棒料，噴嘴和渦輪采用φ25 mm×50 mm的鋁合金棒料。外殼和轉(zhuǎn)軸加工選用型號(hào)為HTC2050im車削中心，噴嘴、渦輪加工選用型號(hào)為DMU Monoblock 100的數(shù)控銑削中心。因轉(zhuǎn)軸和外殼采用常規(guī)加工方法加工，所以只研究噴嘴、渦輪的加工工藝。

2.2 加工工藝路線的確定

為保證噴嘴、渦輪有較高的回轉(zhuǎn)精度和徑向跳動(dòng)，采用一次裝夾方式加工渦輪的內(nèi)孔外圓和葉片。噴嘴、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相似，可以采用相同的工藝路線，如表2所示。在銑削加工中心上完成前5個(gè)工序，然后在車削中心上切斷和平端面。葉片粗精加工選用Powermill10.0軟件的Swarf加工策略，該加工策略采用立銑刀側(cè)刃加工葉片，是一種高效加工策略。

表2 渦輪加工工藝過程

2.3 刀具種類的選擇

金屬去除率的計(jì)算如式(1)[17]所示。從式(1)可以看出，切削三要素、刀具結(jié)構(gòu)、工件材料都會(huì)影響金屬去除率。

Q=ap×ae×n×fz×z

(1)

式中：ap為切削深度，mm；ae為切削寬度，mm；Q為金屬去除率，mm3/min；n為刀具轉(zhuǎn)速，r/min；z為銑刀刃數(shù)，個(gè)；fz為每齒進(jìn)給量，mm/刃；Dcap為切削深度處的實(shí)際切削直徑,mm。

從圖3可以看出，當(dāng)切削深度ap小于刀直徑Dc時(shí)，球頭銑刀實(shí)際加工深度處的切削直徑Dcap

以圓角銑刀加工噴嘴一為例，分析提高金屬去除率的工藝方法，評(píng)價(jià)條件是在相同的表面殘留面積下，調(diào)整銑刀加工切削寬度ae和切削深度ap，計(jì)算兩種刀具的金屬去除率。通過試切削發(fā)現(xiàn)，采用表3所示的切削參數(shù)時(shí)，刀具運(yùn)行穩(wěn)定，刀具壽命長(zhǎng)，通過表中參數(shù)單因素調(diào)整對(duì)比研究。

表3 球頭銑刀與圓角銑刀金屬去除率對(duì)比

從表3可以看出，粗銑流道時(shí)，在主軸轉(zhuǎn)速n,每齒進(jìn)給量fz、切深ap和表面殘留面積情況下，圓角銑刀的切削寬度ae為0.74，而球頭銑刀的切削寬度ae為0.25，圓角銑刀的金屬去除率是球頭銑刀的2.96倍。精細(xì)葉片工序，采用圓角銑刀的側(cè)刃加工葉片，切深可達(dá)到0.2 mm，而球頭銑刀采用球面進(jìn)行行切加工，為達(dá)到規(guī)定的表面粗糙度，切削深度ap只能達(dá)到0.02 mm，因此球頭銑刀的金屬去除率較低，只是圓角銑刀的1/10。而在精銑輪轂工序，圓角銑刀利用底刃加工，切削寬度ae較球頭銑刀大，金屬去除率也有所提高。通過表3可知，在表面殘留面積相同的情況下，采用圓角銑刀加工會(huì)獲得更高的金屬去除率。

2.4 圓角銑刀加工渦輪的實(shí)現(xiàn)方法

毛坯采用三爪自定心夾盤裝夾，為避免加工時(shí)刀具與夾爪干涉，毛坯伸出長(zhǎng)度不小于30 mm，毛坯頂面與工作臺(tái)臺(tái)面的距離大于200 mm。裝夾方式如圖4所示。

在粗銑流道時(shí)，采用多重切削的方式設(shè)置切削深度，采用預(yù)留余量的方式兩次調(diào)用Swarf加工策略；在精銑葉片和輪轂工序，采用順銑方式，輪轂面采用底刃與輪轂相切的方式加工，切削參數(shù)如表3所示，切削刀路與刀位如圖5所示。

3 渦輪加工質(zhì)量檢測(cè)

3.1 渦輪表面粗糙度檢測(cè)

由于渦輪的流道尺寸小，需將渦輪剖切后測(cè)量，選用型號(hào)為SJ-410的表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)定葉片壓力面、吸力面及底面的表面粗糙度Ra，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為ISO 1997，取樣數(shù)為5。檢測(cè)方法如圖6所示。渦輪外圓、內(nèi)孔和同軸度采用機(jī)內(nèi)激光探頭檢測(cè)，同軸度在0.002～0.003 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

從表4可以看出，在相同切削參數(shù)情況下，沿著氣流方向，渦輪出口截面寬度逐步變寬，流道側(cè)面和底面的表面粗糙度較前面渦輪有所提高，這是因?yàn)槭褂玫膱A角銑刀直徑變大，剛性增加所致；因底面是利用底刃與渦輪底面圓弧相切加工而成，所以同一渦輪的底部表面粗糙度較側(cè)面的差。

表4 各渦輪測(cè)量尺寸

噴嘴內(nèi)孔與軸承外圈、轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸及轉(zhuǎn)軸與軸承是過盈配合，采用熱裝法裝配。裝配后的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與主軸見圖7所示。

3.2 氣動(dòng)特性

為驗(yàn)證數(shù)控加工工藝的可行性和裝配后的特性，在專用測(cè)試平臺(tái)上對(duì)雙級(jí)軸流微渦輪氣動(dòng)主軸的性能進(jìn)行測(cè)試。繪制進(jìn)氣壓力與主軸轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線如圖8所示?？諝鈮毫υ?.3 MPa時(shí)，氣動(dòng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速100 000 r/min，此時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩為8 mN·m，說明加工的噴嘴和轉(zhuǎn)子的精度能夠滿足渦輪主軸的要求。

4 結(jié)語

(1)研究了雙級(jí)軸流渦輪式氣動(dòng)主軸關(guān)鍵零件的實(shí)現(xiàn)方法，提出了一種在通用五軸數(shù)控加工中心上批量加工噴嘴轉(zhuǎn)子的數(shù)控加工工藝。該工藝?yán)肧warf精加工策略對(duì)葉片側(cè)面和底進(jìn)行了粗精加工，并通過切削實(shí)驗(yàn)獲得了適合的切削參數(shù)和設(shè)置方法。

(2)為提高噴嘴轉(zhuǎn)子的加工效率，采用單因素方法分析了圓角立銑刀和球頭立銑刀加工葉片時(shí)的金屬去除率，獲得在粗銑流道、精銑葉片和輪轂時(shí)，金屬去除率要比球頭銑刀分別高2.96倍、10倍及2倍，加工效率顯著提高。

(3)通過專用測(cè)試平臺(tái)對(duì)空氣渦輪主軸的對(duì)入口壓力與轉(zhuǎn)速測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入口壓力在0.3 MPa時(shí)，達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速100 000 r/min，說明噴嘴轉(zhuǎn)子加工精度能夠滿足設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)雙級(jí)軸流渦輪式氣動(dòng)主軸的批量化生產(chǎn)與深入分析奠定了基礎(chǔ)。