（北京理工大學(xué)先進(jìn)加工技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

近年來，隨著MEMS技術(shù)、新型材料技術(shù)、微加工技術(shù)、微型傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，各種飛行器開始出現(xiàn)微型化的趨勢。微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為各種微型飛行器的動(dòng)力來源，被稱為整個(gè)微型飛行器的“心臟”，在航空技術(shù)發(fā)達(dá)國家得到了高度的重視。微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)體積小、重量輕、功率大、能量存儲(chǔ)密度高，是一種具有良好應(yīng)用前景的新型噴氣推進(jìn)動(dòng)力裝置[1]。微小整體葉輪作為微型發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，屬于典型的微小復(fù)雜零部件，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣必將對(duì)微型發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能產(chǎn)生重要影響，因此對(duì)其加工技術(shù)的研究勢在必行。

美國麻省理工學(xué)院的燃?xì)鉁u輪實(shí)驗(yàn)室于2003年采用MEMS技術(shù)加工出了直徑為21mm，厚為3.7mm，轉(zhuǎn)速為1.2×106r/min的微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其微型渦輪的葉片采用直壁結(jié)構(gòu)，直徑為4mm[2]。比利時(shí)魯汶大學(xué)于2004年采用電火花成形加工方法研制了不銹鋼材料的微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，其中壓氣機(jī)葉輪為非直壁結(jié)構(gòu)，直徑為20mm，包括10個(gè)長葉片和10個(gè)短葉片[3]。英國學(xué)者Heaton[4]于2005年采用受激準(zhǔn)分子激光在PMMA 材料上加工出微小渦輪盤?；谒兄频奈遢S微小型立式銑床，韓國學(xué)者Bang等[5]于2005年使用直徑200μm硬質(zhì)合金平頭立銑刀，在黃銅工件上加工出了直徑800μm的微型直壁葉輪。比利時(shí)魯汶大學(xué)于2009年基于微銑機(jī)床Kern MMP，采用UGNX3/CAM進(jìn)行數(shù)控編程，通過五軸銑削加工制備出了直徑20mm的鈦合金材料的壓氣機(jī)葉輪[6]，其中采用了直徑1mm和0.5mm的硬質(zhì)合金球頭銑刀對(duì)葉輪的不同部位進(jìn)行加工。日本東北大學(xué)采用微磨削、車削以及電火花的方法研制出了微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)[7-9]，其直徑為100mm，長度為150mm，并通過測試發(fā)現(xiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)3.6×105r/min的轉(zhuǎn)速，其中壓氣機(jī)葉輪的直徑為16mm，渦輪葉輪的直徑為17.4mm。哈爾濱工業(yè)大學(xué)董穎懷等[10-11]于2009年設(shè)計(jì)了一種三維結(jié)構(gòu)的離心式壓氣機(jī)，采用微細(xì)電火花銑削加工方法，得到了具有良好表面質(zhì)量和精度的三維金屬微型壓氣機(jī)，該壓氣機(jī)有8個(gè)葉片，直徑為3mm，高度為1.5mm，葉片的出口高度為0.4mm，厚度為0.1mm；微型渦輪葉片的直徑為2.9mm，葉片高0.4mm，葉片厚度為0.1mm。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Zhang等[12-13]于2010年通過自行研制的5軸微銑機(jī)床，加工出了直徑為20mm的微小型葉輪；并于2012年對(duì)微小型閉式整體葉輪進(jìn)行了研究，該微小型葉輪的尺寸為Ф20×14（mm），相鄰兩個(gè)葉片間的最小距離僅為2.3mm；利用UG/CAM軟件生成了葉輪的加工軌跡，并利用Vericut仿真軟件對(duì)微小型葉輪的刀路軌跡進(jìn)行了加工仿真。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Geng 等[14]于2014年采用微細(xì)電火花加工技術(shù)，加工出了微型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子模具，然后通過擠壓成型，加工出直徑為6mm的微小直壁葉輪，葉輪葉片的厚度為0.3mm，高度為0.832mm。

鑒于五軸微細(xì)銑削方法在復(fù)雜零部件加工中的眾多優(yōu)勢，開展了微小整體葉輪五軸聯(lián)動(dòng)微細(xì)銑削方法的加工研究?；贑AD軟件SolidWorks對(duì)微小整體葉輪進(jìn)行三維建模，該葉輪的直徑為10mm，有6個(gè)相同的扭曲葉片，葉片最小厚度為0.15mm，兩相鄰葉片間的最小距離為0.58mm。利用CAM軟件PowerMill生成微小整體葉輪加工的刀路軌跡，并對(duì)刀路軌跡進(jìn)行加工仿真。最后，采用五軸微細(xì)銑削的加工方法，實(shí)現(xiàn)了微小整體葉輪的高質(zhì)量加工。

微小整體葉輪加工工藝規(guī)劃

1 微小整體葉輪加工難點(diǎn)分析

微小整體葉輪屬于典型的微小復(fù)雜薄壁零部件，其流道狹窄、開敞性差，并且葉片薄、葉片扭曲大和葉片長厚比大，在加工過程中極易發(fā)生變形和碰撞干涉。另外由于微小整體葉輪尺寸小，在其精加工過程中材料去除量極小，因此需要采用五軸微細(xì)銑削的方法實(shí)現(xiàn)葉輪的精加工，而微細(xì)銑削不同于常規(guī)的宏觀切削，在葉輪的精加工過程中會(huì)發(fā)生尺寸效應(yīng)。因此，針對(duì)以上難點(diǎn)有必要對(duì)微小整體葉輪的加工工藝進(jìn)行研究。

基于CAD軟件SolidWorks實(shí)現(xiàn)微小整體葉輪的三維建模。微小整體葉輪由輪轂曲面和葉片曲面構(gòu)成，葉片曲面包括壓力曲面、吸力曲面和包覆曲面，如圖1所示。輪轂曲面由葉根線繞中心軸旋轉(zhuǎn)而成，葉片曲面為直紋曲面。葉輪的直徑10mm，高度4.5mm，頂部直徑1.5mm，軸孔直徑0.8mm，有6個(gè)相同的扭曲葉片，葉片最小厚度為0.15mm，兩相鄰葉片間的最小距離為0.58mm，微小整體葉輪幾何模型如圖2所示。

2 微小整體葉輪加工工藝規(guī)劃

圖1 微小整體葉輪幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Micro integral impeller geometry

圖2 微小整體葉輪幾何模型Fig.2 Geometric model of the micro integral impeller

從整體葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，加工整體葉輪時(shí)刀具軌跡規(guī)劃的約束條件較多、相鄰葉片空間較小，加工時(shí)極易產(chǎn)生碰撞干涉[15]，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量加工，需對(duì)葉輪的加工階段進(jìn)行劃分。加工微小整體葉輪主要分為4個(gè)階段，即過渡模型加工、流道粗加工、輪轂精加工和葉片精加工，如圖3所示。第一步：通過三軸聯(lián)動(dòng)的銑削方法，將圓柱體毛坯材料加工成葉輪的過渡模型；第二步：采用五軸聯(lián)動(dòng)的銑削方法，進(jìn)行流道粗加工，以去除大量的毛坯材料；第三步：采用五軸聯(lián)動(dòng)的銑削方法，對(duì)輪轂進(jìn)行精加工；第四步：采用五軸聯(lián)動(dòng)的銑削方法，對(duì)葉片進(jìn)行精加工，實(shí)現(xiàn)整個(gè)葉輪的加工。

圖3 微小整體葉輪的加工流程Fig.3 Machining process of micro integral impeller

2.1 微小整體葉輪加工刀具選擇

由于微小整體葉輪在加工過程中材料去除率高達(dá)70%，刀具磨損嚴(yán)重，因此需要根據(jù)不同的加工階段選擇合適的銑削刀具以實(shí)現(xiàn)微小整體葉輪的高效率和高質(zhì)量加工。在第一階段，由于采用三軸聯(lián)動(dòng)加工，不涉及到刀軸變換，因此在保證加工質(zhì)量的情況下，選擇較大直徑的銑刀，在此階段可選用直徑1mm的球頭銑刀。在第二階段，對(duì)流道進(jìn)行粗加工，以去除大量的多余材料為主要目的。兩相鄰葉片間的最小距離為0.58mm，在充分保證刀具及其運(yùn)動(dòng)對(duì)于加工部位的空間可達(dá)性和無刀工干涉的情況下，選擇直徑盡可能大的球頭銑刀。圖4為球頭銑刀粗加工葉輪時(shí)的局部截面圖，刀軸位于兩葉片之間任一方向，且兩相鄰葉片的交點(diǎn)與圓弧為同一圓心，球頭銑刀與葉輪輪轂相切于點(diǎn)A。根據(jù)以上信息，計(jì)算出在給定粗加工余量情況下的刀具半徑選擇約束方程。

葉輪葉片的個(gè)數(shù)為n，兩相鄰葉片間的最小距離為MN=l，兩相鄰葉片間的夾角為θ，粗加工球頭銑刀的半徑為R，刀心坐標(biāo)到葉片輪廓的最短距離OP0=x ，加工余量為δ，AP1=t，BC=a。在加工過程中不發(fā)生葉片過切的情況下，可得到刀具半徑選擇的約束方程。

式中，θ=2π/n，當(dāng) x=R+δ時(shí)，表示刀具與葉片加工余量部分相切，此時(shí)刀具的理論半徑最大，又n=6，θ=π/3，l=0.58mm，當(dāng)粗加工余量δ=0.05mm時(shí)，根據(jù)上述方程組可得R=0.53mm，即流道開粗加工所能使用的理論最大刀具直徑為1.06mm。因此，在第2階段選擇直徑為1mm的球頭銑刀，既可以去除大量的多余材料，又可避免刀具磨損。在第3～4階段，以保證葉輪的表面質(zhì)量和加工精度為首要目的，在這兩個(gè)階段均選擇直徑為0.5mm的微細(xì)球頭銑刀。

圖4 刀具切削幾何分析圖Fig.4 Geometric analysis of the cutting process

2.2 微小整體葉輪刀路軌跡生成

粗加工過程以去除工件的多余材料為主，因此在保證刀具與工件不發(fā)生干涉的情況下選用直徑較大的刀具，并在主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、軸向切深和徑向切深等切削參數(shù)的選擇上以保證材料的去除率為首要目的，并為精加工留有50μm的余量。由于工件尺寸小，在微小型葉輪的加工過程中，機(jī)床主軸極易與工作臺(tái)發(fā)生碰撞，為了保證加工過程的順利進(jìn)行，必須使工件與工作臺(tái)在Z方向的距離足夠的大，并且對(duì)刀軸的傾角進(jìn)行限界，限定機(jī)床B軸的傾角范圍為0°～85°。刀軸限界后微小整體葉輪單個(gè)流道的粗加工刀路軌跡如圖5所示。

為了保證葉輪的表面質(zhì)量和加工精度，需要對(duì)微小型葉輪進(jìn)行精加工。在精加工過程選擇直徑比較小的球頭銑刀，對(duì)粗加工未能切削到的部分進(jìn)行加工。另外，需要選擇合適的切削參數(shù)，保證葉輪加工的表面質(zhì)量、加工精度和加工效率。精加工主要針對(duì)葉輪的輪轂和葉片部分進(jìn)行加工。在對(duì)輪轂部分精加工的過程中，需要合理地調(diào)整刀具傾角，以避免刀具與葉片發(fā)生干涉。在輪轂的精加工過程中，選用直徑為0.5mm的硬質(zhì)合金微細(xì)球頭銑刀。圖6為單個(gè)流道的輪轂精加工刀路軌跡，可以看出刀路軌跡光滑連續(xù)，刀軸處于連續(xù)性變化且未發(fā)生加工干涉。

葉片為整個(gè)小型葉輪的重要組成部分，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)葉輪的使用性能會(huì)產(chǎn)生重要的影響。在葉片的頂端，厚度僅有0.15mm，并且葉片幾何形狀復(fù)雜，如果切削參數(shù)選擇不當(dāng)極易造成葉片的變形，導(dǎo)致工件的報(bào)廢。在葉片的精加工過程中，選用直徑為0.5mm的硬質(zhì)合金微細(xì)球頭銑刀，采用點(diǎn)銑方式加工。通過等參數(shù)線法生成的單個(gè)葉片的精加工刀路軌跡如圖7所示，刀路軌跡光滑連續(xù)，刀軸連續(xù)變化且未發(fā)生干涉。

圖5 流道粗加工刀路軌跡Fig.5 Toolpath of channel rough machining

圖6 輪轂精加工刀路軌跡Fig.6 Toolpath of hub finish machining

圖7 葉片精加工刀路軌跡Fig.7 Toolpath of blade finish machining

2.3 微小整體葉輪加工工藝路線銑削仿真

經(jīng)過上述分析，可得到微小整體葉輪加工的工藝路線：葉輪過渡模型粗加工→葉輪過渡模型精加工→葉輪流道粗加工→葉輪輪轂精加工→葉輪葉片精加工。具體的工藝規(guī)程如表1所示。

微小葉輪葉片具有復(fù)雜的幾何形狀，并且厚度小，在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工過程中刀軸矢量變換頻繁，容易產(chǎn)生過切、碰撞等問題。因此，有必要對(duì)微小葉輪進(jìn)行加工仿真，減小工件報(bào)廢和機(jī)床加工事故發(fā)生的頻率。機(jī)床仿真模型如圖8所示。通過對(duì)葉輪加工過程仿真的觀察和分析可知，在葉輪的加工過程中，走刀軌跡光順平穩(wěn)，并未產(chǎn)生過切、碰撞等問題。因此，可以證實(shí)所生成的走刀軌跡是安全可靠的。

表1 微小整體葉輪加工工藝規(guī)程

圖8 機(jī)床仿真模型Fig.8 Simulation model of machine tool

微小整體葉輪五軸微細(xì)切削試驗(yàn)

根據(jù)微小整體葉輪加工工藝分析和切削仿真，可對(duì)其進(jìn)行銑削加工試驗(yàn)。以單個(gè)葉片和輪轂為研究對(duì)象，采用單因素試驗(yàn)，研究每齒進(jìn)給量對(duì)微小整體葉輪精加工表面粗糙度的影響規(guī)律。微小整體葉輪的材料為7075鋁合金，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、具有良好的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度為524MPa；屈服強(qiáng)度為455MPa；延伸率為11%；彈性模量為71GPa；硬度為 150HB;密度為 2810kg/m3），在航空領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。其化學(xué)成分如表2所示[16]。

微小整體葉輪銑削試驗(yàn)所用的機(jī)床為德瑪吉DMU80monoBLOCK五軸加工中心。在試驗(yàn)過程中，加入切削液以提高工件表面質(zhì)量和減小刀具磨損。微小整體葉輪輪轂和葉片精加工切削工藝參數(shù)如表3所示，其加工過程和實(shí)物如圖9所示。

圖9 微小整體葉輪銑削試驗(yàn)Fig.9 Experiment of micro integral impeller

試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖10 每齒進(jìn)給量對(duì)輪轂和葉片表面粗糙度的影響Fig.10 Influence of feed per tooth on the surface roughness of hub and blade

通過五軸聯(lián)動(dòng)銑銑削試驗(yàn)，得到了直徑為10mm，葉片最小厚度為0.15mm，兩相鄰葉片最小間距為0.58mm，有6個(gè)相同葉片的微小整體葉輪。利用基恩士三維激光掃描顯微鏡VK-X100對(duì)微小整體葉輪葉片和輪轂的表面粗糙度進(jìn)行檢測，葉片和輪轂在進(jìn)給方向和垂直于進(jìn)給方向的表面粗糙度值如圖10所示?？梢钥闯?，輪轂和葉片的表面粗糙度值都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，并且在每齒進(jìn)給量為2μm時(shí)表面粗糙度值都達(dá)到最小，沿進(jìn)給方向的表面粗糙度值均小于垂直于進(jìn)給方向的值，因此在所采用的每齒進(jìn)給量的參數(shù)范圍內(nèi)有一個(gè)最優(yōu)值。這是由于在微細(xì)切削過程中，當(dāng)每齒進(jìn)給量小于刃口鈍圓半徑時(shí)會(huì)引起尺寸效應(yīng)，刀具以負(fù)前角進(jìn)行切削從而增大了表面粗糙度值。當(dāng)每齒進(jìn)給量遠(yuǎn)大于刃口鈍圓半徑時(shí)，隨著每齒進(jìn)給量的增加，切削力將會(huì)增大，刀具與工件之間的摩擦將會(huì)增大，從而使表面粗糙度值增大。每齒進(jìn)給量和加工行距共同決定了工件的表面形貌，由于加工行距大于每齒進(jìn)給量，兩條相鄰刀路軌跡之間的殘留高度比較大，因此沿垂直于進(jìn)給方向的表面粗糙度大于沿進(jìn)給方向的表面粗糙度。在每齒進(jìn)給量為2μm時(shí)，輪轂沿進(jìn)給方向和垂直于進(jìn)給方向的表面粗糙度分別為0.536μm和0.783μm，葉片沿進(jìn)給方向和垂直于進(jìn)給方向的表面粗糙度分別為0.678μm和1.236μm。葉片表面的粗糙度值均大于輪轂表面的粗糙度值，這是由于葉片為薄壁件，在加工過程中刀具與工件之間發(fā)生顫振，導(dǎo)致葉片具有較高的表面粗糙度。每齒進(jìn)給量為2μm時(shí)葉輪輪轂和葉片的表面形貌如圖11所示。在輪轂表面沿氣流方向可以明顯看到刀路痕跡，這不僅不會(huì)損傷葉輪的空氣動(dòng)力學(xué)性能反而能夠起到穩(wěn)定效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用五軸微細(xì)切削方法實(shí)現(xiàn)微小整體葉輪的高質(zhì)量加工是可行的。

表2 7075 鋁合金化學(xué)成分（原子百分?jǐn)?shù)）%

圖11 輪轂和葉片表面形貌Fig.11 Topography of hub and blade surface

表3 微小整體葉輪加工工藝參數(shù)

結(jié)論

針對(duì)微小復(fù)雜整體式葉輪，開展了五軸聯(lián)動(dòng)微細(xì)銑削加工方法研究。根據(jù)葉輪的幾何結(jié)構(gòu)，建立了微小整體葉輪流道加工刀具直徑選擇的約束方程。對(duì)微小整體葉輪的加工工藝進(jìn)行分析，生成了葉輪流道粗加工、輪轂精加工和葉片精加工的刀路軌跡。為避免葉輪加工過程中過切、碰撞等事故發(fā)生，對(duì)葉輪的加工過程進(jìn)行切削仿真，最終實(shí)現(xiàn)了直徑10mm的微小整體葉輪的高質(zhì)量加工。

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