鈦合金離心式整體葉輪加工工藝研究

初永春 王心昊

(中車大連機(jī)車研究所有限公司 遼寧 大連 116021)

0 前言

隨著柴油機(jī)性能的不斷提升和排放法規(guī)的要求愈發(fā)嚴(yán)格，內(nèi)燃機(jī)車及船機(jī)用柴油機(jī)對(duì)增壓器壓比和效率的需求也在不斷提高。如中車大連機(jī)車研究所有限公司某型增壓器壓氣機(jī)標(biāo)定工況壓比已經(jīng)達(dá)到6.5，最大工作壓比超過7.0以上，而增壓器的性能主要取決于其核心部件離心式壓氣機(jī)葉輪(見圖1)，新型增壓器普遍使用空間曲面造型的整體式葉輪，由于其復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)，極高的精度要求，使得葉輪葉片成為最典型的難加工結(jié)構(gòu)件，葉輪加工也素有“機(jī)械加工的巔峰競(jìng)技場(chǎng)”之說，可見其在機(jī)加工技術(shù)上的典型代表作用，而葉輪直徑超過了350 mm，當(dāng)增壓器轉(zhuǎn)速達(dá)到30 000 r/min時(shí)，葉輪最外緣線速度已經(jīng)超過1.5倍音速，而此處壓縮空氣的溫度也在250 ℃以上，這對(duì)離心式壓氣機(jī)葉輪的材料性能提出了巨大的要求，常用的鋁合金葉輪材料性能已經(jīng)限制了增壓器的性能提升要求，目前，新一代高性能增壓器已逐漸使用鈦合金取代鋁合金制作壓氣機(jī)葉輪，以滿足愈發(fā)嚴(yán)酷的性能指標(biāo)要求。鈦合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也因?yàn)椴牧系奶厥庑?，加工難度也非常高。本文通過生產(chǎn)加工實(shí)踐積累，編制了鈦合金離心式整體葉輪加工工藝，分析生產(chǎn)加工細(xì)節(jié)中的刀具選擇、切削加工方式及參數(shù)應(yīng)用等，解決生產(chǎn)加工中出現(xiàn)的問題，以使生產(chǎn)工藝更精準(zhǔn)，加工效率和穩(wěn)定性更高。

圖1 離心式壓氣機(jī)葉輪

1 鈦合金材料加工特性

鈦合金材料在加工時(shí)切削力只略高于同等硬度的鋼材，但是加工鈦合金的物理現(xiàn)象要比加工鋼材復(fù)雜很多，因而鈦合金材料加工難度數(shù)倍增加，其主要原因是大多數(shù)鈦合金材料的熱導(dǎo)率都很低，只有鋼材的15%左右，鋁材的8%左右，因此，在加工鈦合金材料的過程中產(chǎn)生的熱量不能快速傳遞到工件或切屑帶走，會(huì)集聚在刀具的切削區(qū)域，產(chǎn)生的溫度最高可達(dá)到1 000 ℃以上，高溫會(huì)使刀具刃口迅速磨損、崩裂或生成積屑瘤，加快磨損刀刃，刀具磨損后會(huì)使切削區(qū)域產(chǎn)生更加多的熱量，進(jìn)一步縮短了刀具的使用壽命。加工過程中產(chǎn)生的高溫也會(huì)破壞鈦合金葉輪的表面質(zhì)量，出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。

2 鈦合金葉輪毛坯

因鈦合金材料價(jià)格較高，加工時(shí)刀具損耗大，編制加工工藝時(shí)，在保證加工質(zhì)量的同時(shí)要盡可能減少葉輪鍛造毛坯加工余量，從而降低成本，提高加工效率，通過實(shí)際加工驗(yàn)證，其毛坯加工余量單邊預(yù)留3 mm，可保證加工的同時(shí)最大減少毛坯重量，視為最佳余量，如圖2所示。

圖2 鈦合金葉輪毛坯

3 粗車加工工序

首先通過數(shù)控車床工序粗加工整體葉輪、葉輪外子午線、葉背型線及葉背定位部位，保證其同軸度誤差小于0.05 mm，因葉輪銑削加工工序，材料去除量達(dá)到70%以上，大量的材料去除,會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中釋放，造成葉輪加工后葉片變形量增大，通過多次驗(yàn)證，車削粗加工工序最佳余量參數(shù)如下：葉輪的外子午線位置余量為0.6 mm，葉輪外輪廓位置余量為0.5 mm，葉背型線位置余量為1 mm(見圖3)。

圖3 葉輪粗車加工余量

4 鈦合金葉輪葉片銑削工序

4.1 銑削工序加工機(jī)床選擇

整體離心式葉輪為典型的五軸聯(lián)動(dòng)加工部件，其加工機(jī)床必須具備五軸聯(lián)動(dòng)功能，并具有良好的五軸聯(lián)動(dòng)加工穩(wěn)定性，鈦合金材料加工中刀具線速度一般較低，為提高加工效率，經(jīng)常選用相對(duì)加大直徑的刀具，機(jī)床應(yīng)具備良好的剛性，綜合上述需求，并結(jié)合公司的設(shè)備狀況，機(jī)床選用DMU 80P臥式五軸加工中心，如圖4所示。

圖4 DMU 80P臥式五軸加工中心

4.2 銑削工序加工刀具選擇

在了解鈦合金材料加工特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往加工經(jīng)驗(yàn)，在鈦合金葉輪加工的刀具選擇方面，首先應(yīng)解決加工中刀具切削部位的散熱問題，應(yīng)選擇正切削角的幾何形狀刀具，保持刀片刃口的鋒利，鈍的刀具是熱量增加和磨損的主要原因，容易導(dǎo)致刀具快速失效，保持刀片刃口鋒利可有效減少切削力產(chǎn)生，從而降低切削熱和葉輪葉片的變形；選擇大的刀尖圓弧半徑或倒角的刀具，盡可能讓更多的刀刃進(jìn)行切削，可以減少每一個(gè)點(diǎn)的切削力和熱量，以防止刀具刃口的局部破損。還應(yīng)選用有涂層的刀具，以增加刀具耐磨度，并可降低刀具積屑瘤產(chǎn)生，如機(jī)床等相應(yīng)條件具備，可選用內(nèi)冷刀具，采用高壓大流量切削液，直接作用于切削區(qū)域，可有效降低刀具切削高溫情況，減少因溫度過高而導(dǎo)致的葉輪葉片表面變型和刀具磨損，經(jīng)加工驗(yàn)證最終選用16 mm直刃球頭涂層銑刀以及8 mm球頭錐度4°涂層銑刀(見圖5)完成加工。

圖5 8 mm球頭錐度4°涂層銑刀

4.3 程序及參數(shù)

離心式整體葉輪是典型的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的加工部件，其加工程序復(fù)雜，必須借助CAM軟件進(jìn)行編程，而主流的CAM編程軟件都針對(duì)整體葉輪加工，獨(dú)立設(shè)置了專用加工模塊，以降低編程難度。現(xiàn)采用CAM軟件的葉輪加工模塊完成葉輪銑葉型程序編程加工。

葉輪葉片精加工程序采用錐度球頭涂層銑刀，刀軸選擇繞葉片方式，加工余量為-0.02 mm，切深0.25 mm，轉(zhuǎn)速為刀具線速度Vc=60 m/min，進(jìn)給速度為fz=0.15 mm，安全側(cè)傾角設(shè)為0.1°～0.3°，為最佳切削參數(shù)。

5 精車加工葉輪外子午線及葉背型線

在葉輪銑削加工后，用數(shù)控車床精車加工葉輪子午線、葉背工序，裝夾采用卡盤和漲胎工裝，保證兩端同軸度誤差在0.02 mm以內(nèi)，因葉輪葉片已加工完成，其葉輪子午線精車加工工序已成為間斷切削，其鈦合金材料間斷切削對(duì)刀具損耗增加，同時(shí)因葉輪葉片較薄，間斷切削也容易造成葉片沖擊變形，經(jīng)加工驗(yàn)證，葉片長度在40 mm以內(nèi)，葉片厚度在2 mm以上，根據(jù)葉輪的旋轉(zhuǎn)方向，采用與葉輪葉片旋轉(zhuǎn)角相同的方向選擇加工旋轉(zhuǎn)方向，降低葉片沖擊變形，如果葉片長度超過40 mm或葉片厚度低于2 mm，需要在葉輪的葉片中間位置，增加填充工業(yè)橡皮泥支撐降低間斷切削變形。

6 結(jié)束語

通過加工實(shí)踐，對(duì)鈦合金離心式整體葉輪加工工藝進(jìn)行了分析和總結(jié)，解決了新型鈦合金材料葉輪生產(chǎn)加工中出現(xiàn)的問題，現(xiàn)已生產(chǎn)多種型號(hào)鈦合金葉輪，通過新鈦合金葉輪生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)更精準(zhǔn)，加工效率和穩(wěn)定性更高?！?/p>