魏國(guó)家 裴立群 畢海波 孫 雨

(沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司)

不銹鋼三元葉輪加工效率提升的影響因素分析

魏國(guó)家 裴立群 畢海波 孫 雨

(沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司)

三元葉輪是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子部件最難加工的零件，而加工效率問(wèn)題一直是三元葉輪制造過(guò)程中的難題。本文從幾個(gè)方面著重分析了影響制約三元葉輪加工效率的關(guān)鍵因素，指出了提高葉輪加工效率應(yīng)從多方面入手綜合考慮各個(gè)因素，為今后解決葉輪加工效率問(wèn)題提供了可行的參考依據(jù)。

三元葉輪；加工效率；影響因素

0 引言

隨著壓縮機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用，壓縮機(jī)中三元葉輪的數(shù)量也不斷增多，見(jiàn)圖1。由此帶來(lái)了一個(gè)新的課題，如何提高不銹鋼三元葉輪的加工效率和降低刀具成本，這個(gè)問(wèn)題已擺在了專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員面前，亟待解決。

不銹鋼三元葉輪的加工效率受到許多因素影響，要綜合考慮加工效率、機(jī)床動(dòng)力、加工成本三個(gè)方面，此三方面因素達(dá)到一種平衡才是最優(yōu)，偏向任何一方都容易造成另外兩種最佳功能的喪失。根據(jù)這個(gè)原則和筆者多年的加工經(jīng)驗(yàn)，列出以下幾個(gè)重要的影響因素，以供大家討論參考。

1 數(shù)控加工方法的影響

首先，數(shù)控加工方法是重要的因素之一。三元葉輪材料為馬氏體沉淀硬化不銹鋼，最初使用高速鋼刀、采用大切深、小進(jìn)給五軸聯(lián)動(dòng)的加工方式。但這種方法存在吃刀量大、進(jìn)給速度慢以及對(duì)機(jī)床主軸傷害大的缺點(diǎn)。以直徑20mm高速鋼為例，加工三元葉輪時(shí)進(jìn)給速度一般在20～30mm/min，切深為10～15mm。

經(jīng)過(guò)不斷試驗(yàn)，探索找出與葉輪材料匹配的刀具最優(yōu)切削參數(shù)，使進(jìn)給速度最大化，實(shí)現(xiàn)五軸高速銑加工方式，葉輪的加工效率有一定提升。五軸高速銑在數(shù)控編程方法上有質(zhì)的變化。以直徑20mm高速銑刀為例，以進(jìn)給速度1 000～1 200mm/min加工三元葉輪，切深0.3～0.5mm，但在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中，五軸高速銑也沒(méi)有全面擺脫切削徑向力較大的弊端。

圖1 壓縮機(jī)的三元葉輪圖Fig.1 Three-dimensional impeller of compressor

為了消除由于徑向力較大而引起的機(jī)床主軸孔磨損過(guò)快的問(wèn)題，在數(shù)控加工方法和刀具上又進(jìn)行了深入的改進(jìn)。由五軸聯(lián)動(dòng)發(fā)展為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸鎖定、三個(gè)直線軸聯(lián)動(dòng)的“3+2軸高速銑”編程工藝方法[1-2]，同時(shí)使用快進(jìn)給銑刀，采用小切深切削方式，從而大大地減少了徑向力以及扭矩，使切削更輕快，機(jī)床振動(dòng)降低，主軸孔磨損減輕，加工效率大幅提高，刀具消耗明顯減少。隨著3+2軸高速銑方法的成熟應(yīng)用，如圖2所示，機(jī)床主軸受力由徑向力變?yōu)檩S向受力，從而使機(jī)床主軸損耗降低，加工效率明顯的提升。直徑20mm的高速銑刀具銑制三元葉輪時(shí)進(jìn)給速度可以達(dá)到2000～2500mm/min，切深0.4～0.6mm。

為了進(jìn)一步提高效率，必須在粗加工中提高單位時(shí)間金屬去除量，鉆、插銑的工藝方法進(jìn)入到三元葉輪粗加工改善的行列中。鉆、插銑的基礎(chǔ)是高速銑，只有在高速銑的基礎(chǔ)上，鉆、插銑才得以發(fā)揮，否則會(huì)事倍功半。鉆、插銑的技術(shù)關(guān)鍵是鉆銑的排刀方式、如何避免半孔鉆削受力不平衡的情況出現(xiàn)，以及避免發(fā)生插銑頂?shù)?，這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在鉆銑的基礎(chǔ)上再進(jìn)行插銑加工，在鉆、插銑過(guò)程中，機(jī)床主軸是軸向受力，非常適應(yīng)機(jī)床功率、扭矩的充分發(fā)揮。鉆、插銑的單位時(shí)間金屬去除量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高速銑的加工，從而提高整個(gè)葉輪的加工效率。

圖2 3+2軸高速銑圖Fig.2 3+2 axises high speed milling

2 加工刀具的影響

其次，三元葉輪銑削加工效率除了與數(shù)控工藝方法有很大關(guān)系外，還與刀具關(guān)系密切[3]。刀具的類(lèi)型、形狀、減振性，刀片的材質(zhì)、涂層等因素對(duì)加工效率的提高密不可分。舉例說(shuō)明，使用鑲多邊形刀片的刀具切削力明顯小于鑲圓刀片的刀具；使用減振刀桿刀具比使用非減振刀桿刀具的振動(dòng)顯著減少。隨著國(guó)內(nèi)外刀具廠商的不斷研究，刀具在品種、切削性能、耐磨度幾方面持續(xù)改善，勢(shì)必對(duì)三元葉輪的加工效率提高有極大的促進(jìn)。

3 材料處理工藝的影響

再次，三元葉輪的加工效率與葉輪本身的材質(zhì)和熱處理工藝聯(lián)系密切。葉輪的材質(zhì)與熱處理后的材料狀態(tài)對(duì)葉輪加工的影響十分顯著。葉輪的材質(zhì)直接關(guān)系到熱處理后的材料硬度、切削性能對(duì)刀具的消耗、加工的時(shí)間長(zhǎng)短。在實(shí)際加工生產(chǎn)中，奧氏體不銹鋼切削效果要好于馬氏體不銹鋼的，不論是奧氏體還是馬氏體不銹鋼，硬度每減少10HB，經(jīng)驗(yàn)進(jìn)給速度值提升5%～10%。

4 葉輪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的影響

最后，葉輪的加工效率與葉輪葉片的數(shù)量，葉片的扭曲程度密不可分。相對(duì)于國(guó)外廠家設(shè)計(jì)的葉輪，國(guó)內(nèi)廠家設(shè)計(jì)的葉輪葉片數(shù)量多，葉片的扭曲程度大，這給葉輪加工增添了困難，加工時(shí)間明顯增加。因此，設(shè)計(jì)葉輪時(shí)，葉輪結(jié)構(gòu)的可加工性是每一名設(shè)計(jì)研發(fā)者必須要考慮的問(wèn)題。在與國(guó)外企業(yè)合作中發(fā)現(xiàn)，同樣機(jī)組，國(guó)外廠家的機(jī)組所用葉輪為13～15個(gè)葉片，而我們國(guó)內(nèi)機(jī)組所用葉輪達(dá)到19～21個(gè)葉片，而且葉片還特別扭曲，顯然這給加工增添了很大難度。

5 其他因素的影響

除了上述四點(diǎn)重要影響因素外，還有其他的影響因素。例如機(jī)床的功率和主軸扭矩是否發(fā)揮到最佳狀態(tài)，以瑞士斯德拉格公司生產(chǎn)的STC1250型號(hào)五軸加工中心為例，它的輸出功率為37kW，在加工三元葉輪時(shí)，加工過(guò)程中機(jī)床的使用功率在輸出功率的20%～30%波動(dòng)是發(fā)揮機(jī)床效能最好的范圍。

還有機(jī)床與刀具共振現(xiàn)象的降低等問(wèn)題，也成為專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員越來(lái)越熱衷研究的課題。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外有很多廠家推出了此類(lèi)軟件用于機(jī)床的自適應(yīng)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)很多高校對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的研究也樂(lè)此不疲。

無(wú)論有多少影響因素，歸根結(jié)底，就是要求機(jī)床、刀具、數(shù)控工藝方法和諧統(tǒng)一，顧此失彼將事倍功半，所以說(shuō)三元葉輪的加工沒(méi)有絕對(duì)的最好方案，只有相對(duì)的最佳方案。

隨著編程軟件、五軸機(jī)床、專(zhuān)用刀具的不斷發(fā)展，三元葉輪加工效率提升的辦法也越來(lái)越豐富，加工效率不斷被推動(dòng)提升。

目前，整體銑制機(jī)械加工三元葉輪（如圖3所示）的方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足葉輪的設(shè)計(jì)要求，電火花特種加工（如圖4所示）、3D打印的方法在三元葉輪制造中孕育而生，尤其是特種加工方法已經(jīng)應(yīng)用于三元葉輪加工，那么特種加工三元葉輪的加工效率也逐漸進(jìn)入了專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的視野，由此看來(lái)，三元葉輪加工效率的提升還要繼續(xù)不斷的走下去，任重而道遠(yuǎn)。

圖3 整體銑制加工三元葉輪圖Fig.3 Integral milled closed impeller

圖4 電火花特種加工三元葉輪圖Fig.4 EDM three-dimensional impeller

6 結(jié)論

葉輪的加工效率受多方面因素共同影響。若想使葉輪加工效率顯著提升，需要從葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、材料熱處理、數(shù)控工藝方法、刀具開(kāi)發(fā)和特種加工技術(shù)研究等幾個(gè)方面綜合考慮。

[1]裴立群,魏國(guó)家,畢海波.直線軸聯(lián)動(dòng)銑制三元葉輪方法研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2013（2）:49-51.

[2]魏國(guó)家,裴立群,雍建華，等.開(kāi)式三元葉輪高效數(shù)控粗加工策略研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2012（1）:48-51.

[3]董雷,魏國(guó)家,惠洪杰,等.基于小波包分析的銑刀狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究[J].風(fēng)機(jī)技術(shù),2011（5）：37-41.

Efficiency Analysis of the Machining of a Stainless Steel 3D Impeller

Guo-jia WeiLi-Qun PeiHai-bo BiYu Sun
(Shenyang Blower Works Group Corporation)

The 3D impeller is the most difficult component of the compressor for the machining，and the efficiency of the machining is the critical problem in the manufacturing process.This paper reveals several important influencing factors with respect to the machining efficiency,which should be considered comprehensively to improve it.

impeller;machining efficiency;influence factors

TH16；TK05

：1006-8155-(2017)01-0079-03

ADOI：10.16492/j.fjjs.2017.01.0011

2016-08-21 遼寧 沈陽(yáng) 110869