沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司 (遼寧 110869) 劉 磊

三元葉輪作為透平機(jī)械的核心轉(zhuǎn)動(dòng)部件，是一種具有代表性且造型比較規(guī)范的、典型的通道類復(fù)雜零件 (見圖1)，其特征形狀明顯，葉片的吸力面和壓力面形狀涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，其加工難點(diǎn)主要表現(xiàn)在:①葉輪的葉片形狀復(fù)雜，其葉片多為非可展扭曲直紋面，只能五軸數(shù)控銑制或者電解加工。②由于葉輪葉片的厚度較薄，在加工過程中會(huì)產(chǎn)生彈塑性變形而很容易發(fā)生過切現(xiàn)象。③葉輪大多工作在腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)和高速旋轉(zhuǎn)做功的情況下，葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)具有很高的線速度，因此多選擇不銹鋼、高溫鎳基合金或鈦合金等難加工材料。

圖1 具有較多葉片個(gè)數(shù)的三元葉輪示意圖

新使用的高進(jìn)給銑削方法主要是使用進(jìn)口硬質(zhì)合金刀具和五軸機(jī)床定軸加工來實(shí)現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)的三元葉輪加工使用國(guó)產(chǎn)高速鋼刀具五軸聯(lián)動(dòng)側(cè)刃銑削時(shí)所產(chǎn)生的難題:零件加工周期長(zhǎng)且機(jī)床切削力大，容易造成機(jī)床主軸頭損毀，同時(shí)由于高速鋼刀具的韌性好，刀具振動(dòng)很容易造成葉片過切。

針對(duì)離心壓縮機(jī)大直徑的三元葉輪，使用新的高進(jìn)給銑削方法通過五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床3+2軸固定刀軸空間矢量的方法，大幅度提高了五軸數(shù)控機(jī)床的剛性，從而減少了在切削過程中產(chǎn)生的振動(dòng);再結(jié)合使用帶有CVD化學(xué)涂層和PVD物理涂層的硬質(zhì)合金銑刀，通過刀具商在大進(jìn)給銑刀上切削力和切削角度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過“小切深，大進(jìn)給”的銑削方法，可以大幅度提高加工零件的金屬去除率，從而提高了葉輪的加工效率。由于切削過程中產(chǎn)生的振動(dòng)極小，從而降低了數(shù)控機(jī)床主軸頭的故障率，并大大延長(zhǎng)了五軸數(shù)控加工中心的正常使用壽命。

1.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床3+2軸粗加工銑削關(guān)鍵點(diǎn)

三元葉輪是由直紋面和自由曲面兩種類型葉輪構(gòu)成的。傳統(tǒng)的三元葉輪加工方法是由HSS高速鋼銑刀采取流道分層側(cè)銑葉輪通道的方法，由輪蓋到輪盤逐層銑削加工。由于高速鋼的刀具線速度較低，其耐熱性和壽命也較低，同時(shí)銑削過程中會(huì)產(chǎn)生很大的切削力，在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上用高速鋼銑刀銑削加工時(shí)無法體現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)的高效性。當(dāng)五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床處于3+2軸的工作狀態(tài)時(shí)，機(jī)床的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸處于鎖死的狀態(tài)，只有X、Y、Z 3個(gè)直線軸電動(dòng)機(jī)進(jìn)行銑削移動(dòng)，這時(shí)五軸機(jī)床處于最佳的機(jī)床剛性狀態(tài)，在切削過程中會(huì)大幅度降低產(chǎn)生的振動(dòng) (見圖2)。

我公司是國(guó)內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)離心壓縮機(jī)的公司，目前加工過的最大直徑的三元葉輪是1480 mm三元葉輪，葉輪材料為17－4PH不銹鋼鍛件，三元葉片為11組長(zhǎng)短葉片，其中葉片進(jìn)口處最深達(dá)320 mm，出口深度達(dá)120 mm。毛坯料重達(dá)6 t，銑削加工后只有2.5 t。對(duì)于如此大的三元葉輪，采取高速鋼分層側(cè)刃銑削流道的方法，需要3個(gè)月的加工周期，而采用新的3+2軸定軸銑削的方法，則僅需要加工1個(gè)月。

圖2 五軸數(shù)控加工中心3+2軸銑削三元葉輪示意圖

2.使用硬質(zhì)合金大進(jìn)給銑刀提高金屬去除率的關(guān)鍵點(diǎn)

大直徑三元葉輪粗加工銑制時(shí)采用硬質(zhì)合金刀頭和減振刀桿，葉輪材料為不銹鋼鍛件，其相應(yīng)使用的硬質(zhì)合金刀片的線速度最大可達(dá)到140 m/min。加工時(shí)將五坐標(biāo)加工中心的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸鎖定，利用X、Y、Z直線軸中的兩個(gè)或三個(gè)聯(lián)動(dòng)切削 (見圖3)。該方法為大進(jìn)給、小切深的高速型腔銑。加工時(shí)刀具的剛性最大，機(jī)床的扭矩最小，減少了加工時(shí)機(jī)床產(chǎn)生的振動(dòng)。對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控中心A、B軸的角度合理選取，主要取決于葉輪的扭曲程度，以及編程員的技術(shù)水平。對(duì)于此種大直徑的三元葉輪，銑削的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于要克服銑刀的長(zhǎng)徑比極限，當(dāng)銑削刀具的長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)，刀具的剛性大幅度下降，容易產(chǎn)生切削振動(dòng)。對(duì)于普通的銑削刀具，L/D=6時(shí)是刀桿軸向長(zhǎng)度的極限。在加工大直徑葉輪時(shí)，我們采用了專業(yè)的防振減振刀桿，其內(nèi)部的接口結(jié)構(gòu)為三角軸和三角孔的capto專利結(jié)構(gòu)，Capto刀柄的聯(lián)接機(jī)構(gòu)特征是采用端面與多邊形錐面定位夾緊，能夠確保在高速加工條件下保持接觸面積，從而獲得優(yōu)良的高剛性。在刀桿使用上，也做到因地制宜，加工葉片頂部時(shí)，采用短刀桿，提高切削效率;加工葉片根部時(shí)，采用的長(zhǎng)刀桿為重金屬防振刀桿，以解決因刀具長(zhǎng)徑比大而引起的刀具剛性不足問題。

圖3

3.葉片精加工的關(guān)鍵點(diǎn)

葉片精加工的關(guān)鍵點(diǎn)如圖4所示。

圖4

對(duì)于表面粗糙度要求較高的三元葉片，可以采用硬質(zhì)合金刀具，進(jìn)行分層銑削加工。對(duì)于表面粗糙度要求不高的葉片，也可以使用HSS銑刀進(jìn)行側(cè)刃成形銑削。

4.結(jié)語

使用此種加工方法可以提高數(shù)控機(jī)床的剛性和降低切削時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，大幅度提高機(jī)床的切削進(jìn)給率，提高生產(chǎn)效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。此法同樣適用于航空航天領(lǐng)域難加工的鈦合金和高溫鎳基合金材料。