廣州市輕工技師學(xué)院 (廣東 510220)梁桂全

葉輪是水泵、汽輪機(jī)、水輪機(jī)、推進(jìn)器等裝置的關(guān)鍵部件，葉輪型面由復(fù)雜的三維自由曲面組成，幾何精度要求高，技術(shù)難度大。前半開(kāi)式葉輪是較常用的葉輪形式，如圖1所示，主要用于輸送含有固體顆粒、纖維等懸浮物的液體，具有一定密封作用，在煉油化工離心泵中廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的葉輪加工方法是葉片與輪轂采用不同的毛坯，分別加工成形后將葉片焊接在輪轂上。在焊接處容易損壞，并且由于焊接產(chǎn)生熱應(yīng)力，造成變形，容易產(chǎn)生虛焊，焊接收縮量難以精確控制，導(dǎo)致前期機(jī)加工成形的葉輪流道出現(xiàn)幾何尺寸變化，造成流道精度誤差，影響整機(jī)機(jī)械特性和使用壽命。這樣不但消耗工時(shí)，效率低，還會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。為了解決焊接式葉輪加工制造過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，采用五軸數(shù)控機(jī)床一次加工完成輪轂和葉片，可以減少裝夾次數(shù)，保證定位精度;同時(shí)，更能提高葉輪表面粗糙度，使用高速銑削能有效地降低切削力和切削區(qū)域溫度，從而減少葉片的熱變形。該方法解決了傳統(tǒng)葉輪加工方法的不足，一方面可以提高加工效率;另一方面可以提高加工質(zhì)量和精度，并且增加葉片的強(qiáng)度和剛度，整個(gè)力學(xué)性能都有所提升。

圖1 前半開(kāi)式葉輪

1.前半開(kāi)式葉輪加工工藝分析

前半開(kāi)式葉輪加工時(shí)，在葉片之間有大量的材料需要去除。為了使葉輪滿足使用要求，葉片常采用大扭角、根部變圓角的結(jié)構(gòu)，這給葉輪的加工提出了更高的要求。根據(jù)本例具體加工難點(diǎn)如下:

(1)加工槽道變窄，葉片相對(duì)較長(zhǎng)，剛度較低，屬于薄壁類(lèi)零件，加工過(guò)程極易變形。

(2)槽道最窄處葉片深度超過(guò)刀具直徑的3 倍以上，相鄰葉片空間極小，在清角加工時(shí)刀具直徑較小，刀具容易折斷，切削深度的控制也是加工的關(guān)鍵之一。

(3)本例的整體葉輪曲面為自由曲面，流道窄，葉片扭曲比較嚴(yán)重，并且有明顯的后仰趨勢(shì)，加工時(shí)極易產(chǎn)生干涉碰撞，加工難度較大。因此，保證加工表面的一致性也有困難。

2.整體葉輪加工工藝過(guò)程

(1)葉輪常用材料。毛坯采用牌號(hào)為L(zhǎng)F5 的鋁棒，因?yàn)槿~輪是離心泵的關(guān)鍵部件之一，它對(duì)材料的要求是在保證零件有足夠的強(qiáng)度時(shí)盡量減輕零件的重量。為了提高工件的表面粗糙度，先用數(shù)控車(chē)床車(chē)削成為葉輪回轉(zhuǎn)體的基本形狀，減少五軸的加工難度和時(shí)間。

(2)裝夾。采用心軸裝夾定位，在毛坯上加工出鍵槽進(jìn)行輔助定位，并制作適應(yīng)心軸定位裝夾。

(3)找正。利用百分表找正工件，求出工件坐標(biāo)系。將百分表的安裝桿裝在刀柄上，移動(dòng)工作臺(tái)使主軸中心線大約移到工件中心，使百分表的觸頭接觸工件的圓周面，用手轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，觀察百分表指針的偏移情況，移動(dòng)工作臺(tái)的X 軸和Y 軸，多次反復(fù)后，待轉(zhuǎn)動(dòng)主軸時(shí)百分表的指針基本在同一位置，這時(shí)可認(rèn)為主軸的中心就是X 軸和Y 軸的原點(diǎn)。

(4)葉輪粗加工刀路軌跡。葉輪的粗加工是用賽車(chē)線加工方式，采用3 +2 定位五軸加工，盡量減少聯(lián)動(dòng)軸數(shù)，提高加工的穩(wěn)定性。采用三維區(qū)域清除策略，粗加工留余量0.5mm，下切為1mm，主軸轉(zhuǎn)速3 000r/min，進(jìn)給速度為500mm/min。粗加工刀具路徑如圖2 所示。

圖2 粗加工刀具路徑

賽車(chē)線加工方式是把刀具路徑看成賽車(chē)在跑道內(nèi)高速行駛，賽車(chē)可以偏離跑道的中心，從而產(chǎn)生類(lèi)似于賽車(chē)在跑道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路徑，可以在不改變速度的情況下來(lái)轉(zhuǎn)彎。這種加工方法增加了刀路運(yùn)動(dòng)的光滑性、平衡性，避免刀路突然轉(zhuǎn)向以及頻繁的切入切出所造成的沖擊，盡可能地保持刀具負(fù)荷的穩(wěn)定，減少任何切削方向的突然變化，解決了加工過(guò)程極易變形的難題。

(5)葉輪半精加工刀路軌跡。粗加工時(shí)，加工殘留的余量不均勻，特別是葉片的圓弧過(guò)渡面，葉根部圓柱面產(chǎn)生的刀具路徑效果不好，需要采用多刀清根的方式進(jìn)行。由于葉片很薄，在半精加工時(shí)盡量采用逐層切削的方式，先加工葉尖位置，保證加工時(shí)葉片還有足夠的強(qiáng)度，然后再對(duì)葉片進(jìn)行加工，避免了刀具容易折斷的現(xiàn)象。加工參數(shù)為:半精加工留余量0.2mm，下切為3mm，主軸轉(zhuǎn)速5 000r/min，進(jìn)給速度為500mm/min。

(6)葉輪精加工刀路軌跡。葉片的精加工采用SWARF 加工方式，因?yàn)槿~片是由直紋面構(gòu)成，加工刀路可以順滑連接，在產(chǎn)生精加工刀路軌跡過(guò)程中，刀具有可能和葉輪的葉片發(fā)生碰撞和過(guò)切。利用五軸自動(dòng)避讓功能，加工殘留清根和深腔加工，軟件自動(dòng)判斷碰撞區(qū)域，并自動(dòng)調(diào)整刀軸矢量，軟件系統(tǒng)根據(jù)全部刀具路徑或選定的部分刀具路徑進(jìn)行碰撞干涉檢查。自動(dòng)截掉發(fā)生碰撞的刀具路徑與指令，并給出不發(fā)生碰撞的最短夾刀長(zhǎng)度，指導(dǎo)操作者最優(yōu)化備刀準(zhǔn)備，具有非常實(shí)用的意義。高的運(yùn)轉(zhuǎn)速度使操作者在加工中發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題都無(wú)法停機(jī)，因而加工前一定要檢查刀具加工路徑及仿真檢查進(jìn)行結(jié)果校驗(yàn)。把所有可能會(huì)出現(xiàn)的意外情況杜絕在上機(jī)加工之前，以保證人員和設(shè)備的安全。精加工刀具路徑如圖3 所示。

圖3 葉片精加工

(7)五軸機(jī)床對(duì)葉輪加工及后處理。在五軸機(jī)床加工之前，利用PowerMILL 提供五軸聯(lián)動(dòng)的實(shí)體切削仿真功能，動(dòng)態(tài)仿真五軸加工過(guò)程機(jī)床各軸各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，自動(dòng)檢查工件、刀具、夾具與機(jī)床設(shè)備間是否干涉、是否超程并自動(dòng)報(bào)警，解決了干涉碰撞的難點(diǎn)。然后利用軟件進(jìn)行后置處理，將CAM 軟件生成的刀位軌跡轉(zhuǎn)化為適合數(shù)控系統(tǒng)加工的NC 程序，通過(guò)讀取刀位文件，根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)及控制指令格式，進(jìn)行坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)變換和指令格式轉(zhuǎn)換。全部刀具路徑準(zhǔn)備好以后，傳輸?shù)轿遢S機(jī)床上加工，加工結(jié)束后，工件如圖4 所示。

圖4 實(shí)體工件

3.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)葉輪加工可見(jiàn)，在五軸加工中心僅需經(jīng)過(guò)一次裝夾即可完成復(fù)雜形狀零件的加工。同時(shí)五軸機(jī)床具有OMV 在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)被加工零件的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)加工中出現(xiàn)的任何誤差，能盡快地將其修正，避免了葉輪傳統(tǒng)加工方法出現(xiàn)的加工缺陷，提高加工精度，降低加工難度，顯著縮短產(chǎn)品加工周期及加工成本，為眾多的葉輪加工解決方案起了拋磚引玉的作用。