曾 強(qiáng)，張志森，肖輝進(jìn)

(四川文理學(xué)院理工系，四川 達(dá)州 635000)

螺旋誘導(dǎo)輪是一種結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良的流體裝置，自身具有良好的抗腐蝕和汽蝕性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、化工等行業(yè)的透平機(jī)械中．這類零件形狀特征明顯，工作型面的設(shè)計(jì)涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面質(zhì)量對(duì)其性能參數(shù)都有很大影響．

傳統(tǒng)的螺旋誘導(dǎo)輪生產(chǎn)的方法是采用鑄造成型后修光．而隨著工業(yè)要求的發(fā)展，螺旋誘導(dǎo)輪工作曲面形狀更加復(fù)雜，制造模具的難度非常大，工藝過程復(fù)雜，制造成本高，并且傳統(tǒng)加工出來的誘導(dǎo)輪葉片的表面光潔度差，而且葉片精度難以保證，動(dòng)平衡性能差．

現(xiàn)代的整體式誘導(dǎo)輪加工是指輪廓和葉片在同一毛坯體上進(jìn)行的整體加工，而不采用鑄造成型或葉片加工成形后焊接在輪廓上的工藝方法．一般都要在五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)機(jī)床上進(jìn)行加工，它功能強(qiáng)大、加工效率高、質(zhì)量好，受到制造業(yè)內(nèi)人士的青睞．但在加工中有很大的難度，必須要選擇好合適的刀具及切削用量，規(guī)劃好流道及葉片加工方法．

1 螺旋誘導(dǎo)輪的分析

1．1 圖樣分析

圖1為兩葉變螺距誘導(dǎo)輪，材料是00Cr17Ni14Mo2奧氏體不銹鋼，總長128．5 mm;輪轂呈錐形，輪緣直徑85 mm;相鄰葉片最小間距22．975 mm，葉片最薄處 1．5 mm，最厚處 3 mm，流道最深處達(dá)34．68 mm．

1．2 誘導(dǎo)輪加工難點(diǎn)

為了滿足誘導(dǎo)輪的使用要求，誘導(dǎo)輪采用了大扭角、根部變圓角等結(jié)構(gòu)，而這就給誘導(dǎo)輪的加工提出了較高的要求，其加工難度如下：

1)誘導(dǎo)輪加工槽道窄，葉片相對(duì)較長，剛度低，是一種典型的薄壁類零件，加工過程中非常容易發(fā)生變形．這就增加了整體誘導(dǎo)輪加工難度．

2)這種誘導(dǎo)輪相鄰葉片最小間距22．975 mm，而且最窄處葉片深度34．68 mm，若在用小直徑刀具加工的情況下，刀具剛性差，容易折斷．

圖1 螺距誘導(dǎo)輪模型圖

3)工件材料的切削性能極差．誘導(dǎo)輪材料的化學(xué)成分與力學(xué)性能分別如表1和表2所示．因?yàn)榇嬖谥罅康腃r和Ni使鋼在常溫下呈奧氏體狀態(tài)，不但有高的抗腐蝕和點(diǎn)蝕能力，而且其塑性和韌性也較高．切削過程中塑性變形大，強(qiáng)化系數(shù)很大，變形時(shí)，晶體間剪切滑移，晶格嚴(yán)重扭曲、拉長、纖維化以及破碎;加工硬化嚴(yán)重，切削抗力大;切削產(chǎn)生的熱量多，導(dǎo)熱系數(shù)低，散熱環(huán)境差，致使切削溫度高;切削時(shí)，帶狀切屑連綿不斷，卷屑、斷屑困難，積屑瘤現(xiàn)象嚴(yán)重;刀具易磨損;線膨脹系數(shù)大，容易產(chǎn)生熱變形，尺寸精度較難控制．切削性能僅為同等條件下45鋼的40%左右［1-2］．

表1 00Cr17Ni14Mo2不銹鋼的化學(xué)成分［1-2］

表2 00Cr17Ni14Mo2不銹鋼的力學(xué)性能［3］

所以要制造精度要求較高，幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的誘導(dǎo)輪，就要有良好的切削環(huán)境，合理的刀具及切削用量，流道及葉片加工策略，刀具路徑規(guī)劃．

2 誘導(dǎo)輪流道及葉片加工工藝流程

根據(jù)誘導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料的切削性能以及車間的實(shí)際情況，誘導(dǎo)輪流道、葉片及過渡面的數(shù)控加工選擇在由德國產(chǎn)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床DMU100 monoBLOCK上進(jìn)行．該機(jī)床配Heidenhain_iTNC530系統(tǒng)，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)12 000 r/min．在加工中可采用高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給、小吃深的銑削方式，按要求設(shè)定合理的步距和行距，這樣使得切削力較小，切削較輕快，葉片變形也小，可以大大減輕加工硬化現(xiàn)象，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率．

選擇的刀具參數(shù)如表3所示．

表3 刀具

其加工工藝流程如表4所示．

表4 流道及葉片加工工藝流程

3 流道、葉片及過渡面CAM

采用CAM復(fù)合加工技術(shù)有利于誘導(dǎo)輪加工的實(shí)現(xiàn)［1，3-5］．

3．1 流道加工軌跡規(guī)劃

流道粗、精加工采用可變軸輪廓銑的方式進(jìn)行，選取流道面為驅(qū)動(dòng)面，葉片面為干涉檢查面，用插補(bǔ)刀具軸的方式來控制刀軸的變化．插補(bǔ)刀具軸的特點(diǎn)是通過在指定點(diǎn)定義矢量方向來控制刀具軸．當(dāng)驅(qū)動(dòng)或零件幾何體非常復(fù)雜，又沒有附加刀具軸控制幾何體時(shí)，插補(bǔ)刀具軸可以控制劇烈的刀具軸變化，還能調(diào)節(jié)刀具軌跡，以避免碰撞到障礙物，還可以從驅(qū)動(dòng)幾何體上去定義所需要的足夠多的矢量以保證光順的刀具軸移動(dòng)．在葉片面與輪轂的交線上定義一系列的矢量以控制刀軸．輪轂面上其余刀具位置點(diǎn)的刀軸矢量由U、V雙向線性插值或樣條插值獲得，如圖2所示．加工刀軌及在UG的可視化仿真如圖3所示．

圖2 驅(qū)動(dòng)面和刀軸插補(bǔ)

圖3 流道粗加工刀軌及其可視化仿真

3．2 葉片加工軌跡規(guī)劃

根據(jù)誘導(dǎo)輪葉片面的幾何特征，葉片面的粗、精加工均采用可變軸輪廓銑的方式進(jìn)行，選擇葉片面為切削區(qū)域和驅(qū)動(dòng)面，而流道面、其他相鄰葉片面和輪轂面作為干涉檢查面，刀軸矢量選擇相對(duì)于矢量控制，如圖4所示．

圖4 流道加工刀軌

3．3 過渡曲面清根加工軌跡規(guī)劃

過渡曲面的清根選擇過渡曲面為驅(qū)動(dòng)面，流道面、相鄰葉片面和輪轂面作為干涉檢查面，采用的相對(duì)于矢量方式控制刀軸，為了有效避免過切和干涉碰撞，要合理地設(shè)置引導(dǎo)角、傾斜角及進(jìn)、退刀方式．如圖5所示．

圖5 過渡曲面精加工刀軌

4 仿真驗(yàn)證和試切加工

誘導(dǎo)輪的編程是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，編制好的數(shù)控程序可以通過Vericut仿真軟件進(jìn)行反復(fù)仿真驗(yàn)證，檢查過切、欠切等問題，并及時(shí)修改和優(yōu)化．誘導(dǎo)輪仿真加工如圖6所示［1］．

圖6 誘導(dǎo)輪仿真加工

在加工程序確認(rèn)無誤的情況之下，還必須在實(shí)際的機(jī)床上進(jìn)行試切．試切時(shí)，一般先切出一個(gè)完整的流道和一對(duì)葉片．試切不但可以檢查出數(shù)控程序的一些問題，還可以調(diào)試切削的一些工藝參數(shù)，以便能高效加工出合格的誘導(dǎo)輪．其加工如圖7所示．

圖7 誘導(dǎo)輪加工

5 結(jié)語

文章通過對(duì)00Cr17Ni14Mo2奧氏體不銹鋼螺旋誘導(dǎo)輪的分析，合理地選擇了加工刀具、切削參數(shù)和加工工序，在誘導(dǎo)輪的流道、葉片及過渡曲面上采用了不同的加工策略;根據(jù)刀軌編制出數(shù)控程序，并進(jìn)行了加工仿真和優(yōu)化．試切加工證明，在加工過程中解決了干涉碰撞和過切問題，避免了積屑瘤的形成，減小了加工硬化現(xiàn)化現(xiàn)象，減小了刀具的磨損，大大提高了刀具使用壽命和生產(chǎn)效率，加工好的誘導(dǎo)輪完全符合設(shè)計(jì)和使用要求．

［1］曾強(qiáng)．葉輪類零件的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工與仿真［D］．成都：西南交通大學(xué)，2009．

［2］艾興，肖詩剛．切削用量簡明手冊(cè)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994．

［3］曾強(qiáng)，田懷文．基于EdgeCAM的整體葉輪的車銑復(fù)合加工［J］．機(jī)床與液壓，2010(5)：101-103．

［4］司徒渝．葉輪五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)研究及在DMU100T機(jī)床中的實(shí)現(xiàn)［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2008(9)：121-124．

［5］馬廷洪，韓亞軍．基于CimatronE軟件的瓶身數(shù)控加工與編程優(yōu)化［J］．重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，30(3)：60-62．