徐海潛，呂博鑫

(1．上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，上海 201418；2．西門子工業(yè)軟件(上海)有限公司，上海 200050)

0 引言

復(fù)雜曲面整體葉輪零件是航空航天、船舶工業(yè)、軍事能源、高端醫(yī)療設(shè)備等諸多領(lǐng)域高精尖機械裝備的核心零部件，其曲面形狀和制造精度直接影響裝備的工作效率[1-2]，整體葉輪一般采用后彎式大扭角葉片或前傾后彎式大扭角葉片，葉片與輪轂采用根部圓角流暢銜接的整體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、葉片曲面扭曲嚴(yán)重[3-4]，加工時容易產(chǎn)生葉片或流道的過、欠切現(xiàn)象。更特殊的葉輪葉片擁有較薄的前緣、尾緣且高厚比較大，加工時更易產(chǎn)生變形，甚至引起葉片崩刃、卷曲，致使零件報廢[5]。采用何種制造工藝才能最大限度還原這類特殊結(jié)構(gòu)葉片的設(shè)計理念成為亟需解決的難題[6]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，先進制造技術(shù)手段的日趨成熟，整體葉輪系零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計越來越復(fù)雜，精度要求亦不斷提高，為整體葉輪系零件工藝過程中的變形控制技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn)[7]。

當(dāng)前在提高整體葉輪制造精度和降低薄壁零件加工變形誤差的研究方面，吳寶海等[8]提出一種無碰撞干涉條件下的最大刀具直徑和最小刀長的選擇方法，顯著提高了葉輪類零件的加工效率和加工穩(wěn)定性；李湉等[9]提出了基于加工特征分類的整體葉輪5軸數(shù)控銑削程序模塊劃分方法，并基于Vericut驗證了其可行性和正確性；另外，白萬金等[10]提出了薄壁件階梯對稱銑削方案；蔡安江等[11]提出了一種基于前置與后置處理的5軸數(shù)控加工3D刀具補償方法；蔡飛飛等[12]應(yīng)用田口法和方差分析法確定了葉片銑削的最佳參數(shù)組合。上述方案提升葉輪制造精度方面均得到了較好的效果，但一些方法受限于制造現(xiàn)場條件，使用難度較大。本文基于生產(chǎn)實踐中的某型號環(huán)控系統(tǒng)內(nèi)置軸流式復(fù)雜曲面整體葉輪，論述了該類型零件的制造難點，使用加工現(xiàn)場易于實施的工藝優(yōu)化方案，基于制造特征和非均勻余量優(yōu)化了軸流式葉輪葉片的制造工藝，在MIKRON UCP800 Duro機床上進行相同工況下的對比切削試驗，最后使用三維掃描檢測得到了優(yōu)化前后葉片吸、壓力面的偏差數(shù)值，驗證了該工藝優(yōu)化測試的有效性和實用性。

1 葉片切削振動的固有頻率公式

對于軸流式整體葉輪葉片，其結(jié)構(gòu)可簡化為一個葉根與輪轂以定半徑或變半徑圓角固定，葉冠無約束的懸臂梁，引入懸臂梁運動微分方程：

(1)

葉輪葉片的邊界條件為：

(2)

將其帶入方程(1)后整理得到軸流式葉輪葉片系統(tǒng)的固有頻率公式為：

(3)

其中，E為葉片彈性模量，I是葉片橫截面慣性矩，l為葉片長度，ρ為葉片材料密度，A為葉片橫截面面積。

由固有頻率公式可知，葉輪葉片的抗彎強度越大，則其固有頻率越高。

2 非均勻余量和制造特征的工藝優(yōu)化

如圖1所示為案例軸流式復(fù)雜曲面整體葉輪模型，該葉輪材料為6063航空鋁合金，徑向均布20個葉片，其他具體尺寸參數(shù)如表1所示。

圖1 軸流式復(fù)雜曲面整體葉輪模型

表1 案例整體葉輪基本尺寸參數(shù)表

該葉輪為典型的軸流式復(fù)雜曲面整體葉輪，葉片前、尾緣與葉片中部厚度差距較大，橫斷面呈梭型，葉輪技術(shù)要求精度為曲面輪廓度偏差±0.15mm，葉片表面無振刀紋和接刀痕，葉片根部不得出>0.1mm的明顯接刀痕，動不平衡量<0.02g。故制造難度主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)該例葉輪葉片及流道扭曲較嚴(yán)重，流道狹窄，加工時刀具極易發(fā)生干涉現(xiàn)象；

(2)葉片高度與葉冠葉根最大厚度的平均值之比(ε)為22.68，切削剛性差，刀具系統(tǒng)與葉片切削時容易引發(fā)切削顫振，并易在葉片葉冠和前、尾緣處產(chǎn)生明顯振刀紋，影響表明質(zhì)量和加工精度；

(3)葉片最薄處位于尾緣，厚度僅為0.2mm，容易引起葉片崩刃或卷曲。

2.1 基于非均勻余量工藝優(yōu)化

如圖2所示，設(shè)葉片曲面的參數(shù)方程為S(u,v),其中葉片縱向為v方向，橫向為u方向。

圖2 基于非均勻余量工藝優(yōu)化方案圖

在v方向上，引入高度與葉冠葉根最大厚度的平均值之比(ε)，即：

(4)

其中，H為葉片高度，δmax1為葉根厚度最大值，δmax2為葉冠厚度最大值。

將葉片由葉冠向葉根離散為等高的n段，設(shè)Cx為葉片第x層所占葉片總高度的百分比，Lx為分段后葉片第x層的高度，ΔX為葉片在第x層其在橫截面u方向上加厚的值，則：

(5)

案例葉輪可從v方向離散為等高的10段，當(dāng)20≤ε<25時，一般可將葉片劃分為3層，每層的加厚值為：

每層間以球頭銑刀半徑自成圓角過渡，粗加工時可以選用大直徑，較大傾斜角，剛性佳的錐度球頭銑刀以較大切深、大進給量去除流道大部分材料，后轉(zhuǎn)為使用較小直徑，較小傾角的錐度球頭刀逐層精加工，分層精加工時每層間留2%～4%左右的重疊區(qū)域，避免漏切材料形成接刀痕。

2.2 基于制造特征的工藝優(yōu)化

在葉片的u方向上，案例葉片的前、尾緣較薄而葉片中部較厚，葉片最薄處位于葉片尾緣靠近葉冠部分，加工時該位置容易產(chǎn)生振刀紋，嚴(yán)重時引發(fā)崩刃或卷曲，故采用基于制造特征的分區(qū)域銑削工藝優(yōu)化方案。

如圖3所示，整個葉片靠近葉片前緣和尾緣的25%為剛性最差的部分，故可將葉片在u方向上分為3個部分，即：

圖3 基于制造特征的分區(qū)域銑削工藝方案圖

在基于非均勻余量工藝優(yōu)化的粗加工與精加工之間，再加入基于加工特征的分區(qū)域銑削工藝優(yōu)化。即粗加工完畢后，此時葉片在v方向上呈寶塔狀，總體剛性較好。先用球頭銑刀加工葉片剛性相對較差的葉片前緣和尾緣部分，使其先達到技術(shù)文件要求的尺寸，再使用環(huán)繞葉片加工的方式將剛性良好的葉片中部加工完成，葉片前、尾緣部分以徑向零吃刀量被空銑一刀，既可以穩(wěn)定加工尺寸，又不會留下接刀痕。圖4所示為在NX中顯示的葉片前、尾緣銑削加工的刀具軌跡。

圖4 基于制造特征的分區(qū)域銑削刀具軌跡

3 實例驗證

為驗證以上論述的工藝優(yōu)化方案的有效性和實用性，設(shè)計對比加工試驗。由于葉輪徑向均布多個葉片，故可以使用相同的刀具和機床，在相同的工況下，同一個毛坯上進行加工試驗。部分葉片使用正常的切削工藝，即先進行完整的流道粗加工，后進行完整的葉片精加工，最后精加工流道底部。另一部分葉片使用優(yōu)化后的工藝步驟及相關(guān)參數(shù)，具體如表2所示。

表2 優(yōu)化后的工藝步驟及相關(guān)參數(shù)表

使用NX進行優(yōu)化后工藝方案的刀具軌跡規(guī)劃，葉輪流道分層粗加工和環(huán)繞葉片精加工的刀具軌跡如圖5所示。在MIKRON UCP800 Duro機床上進行加工試驗，使用精鏜銅制軟爪配合定位芯軸的方案進行零件裝夾，裝夾時找正毛坯端面平面度及徑向跳動量≤0.02mm，圖6所示為對比切削試驗現(xiàn)場圖片。

圖5 基于NX的刀具軌跡規(guī)劃

(a) 葉片粗加工 (b) 葉片精加工 (c) 零件成品 圖6 對比切削試驗

最后基于三維掃描檢測技術(shù)得到優(yōu)化前后的葉片曲面點云數(shù)據(jù)，將其進行模型重構(gòu)后與NX的葉輪加工模型進行曲面輪廓度比對，得到工藝優(yōu)化前后葉片吸力面和壓力面的偏差數(shù)值，在葉片各面上隨機選取任意10個數(shù)據(jù)點，偏差數(shù)值如表3所示。

表3 優(yōu)化前后葉片吸、壓力面隨機點偏差數(shù)據(jù)

表面質(zhì)量方面，如圖7所示可看出，工藝優(yōu)化前在葉片吸力面尾緣靠近葉冠的部分出現(xiàn)明顯振刀紋，嚴(yán)重影響葉片表面光潔度，而工藝優(yōu)化后的葉片表面光潔度較高，無振刀紋產(chǎn)生。

(a) 優(yōu)化前的葉片 (b) 優(yōu)化后的葉片 圖7 優(yōu)化前后葉片表面質(zhì)量對比

4 結(jié)論

(1)優(yōu)化前葉片吸力面各點位及平均偏差雖然位于公差帶內(nèi)，但均偏上差；優(yōu)化前葉片壓力面大部分點位不滿足尺寸要求，平均偏差距圖紙要求的公差約0.09mm；優(yōu)化后的葉片吸、壓力面各點位均較好地滿足技術(shù)要求，平均偏差較優(yōu)化前有明顯提高，吸力面和壓力面的曲面輪廓精度平均優(yōu)化率分別為28.8%和65.7%；

(2)工藝優(yōu)化后的葉輪葉片表面光潔度較高，無過切干涉現(xiàn)象，無明顯振刀紋，葉片形狀完整飽滿，較好地還原了設(shè)計理念；

(3)切削對比試驗及三維掃描檢測結(jié)果有力地證明了該工藝優(yōu)化策略的實用性和有效性。