李銀濤

（山東技師學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200）

整體葉輪作為燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵零件，具有將氣體連續(xù)不斷地進(jìn)行壓縮并傳輸出去的作用，此作用是依靠外界供給的機(jī)械功來(lái)完成。氣體通過(guò)進(jìn)氣管進(jìn)入工作輪中，由于葉片產(chǎn)生的作用力使得氣體壓力升高而讓速度得到提升。因此，應(yīng)保證葉輪具有盡可能降低氣體經(jīng)過(guò)葉輪時(shí)造成的損耗的作用，即要提高效率。葉輪能夠發(fā)揮自身良好功效的保障是具有一個(gè)科學(xué)合理的外形構(gòu)造。在進(jìn)行葉輪的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)葉片的數(shù)量和外部輪廓進(jìn)行多次修正，確保性能可以得到優(yōu)化。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外通過(guò)對(duì)各種具有多軸數(shù)控編程功能軟件的應(yīng)用，比如，UG、CATIA、PowerMill等，進(jìn)行多軸加工研究，但五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù)十分復(fù)雜，比較關(guān)鍵的技術(shù)還需要進(jìn)一步的研究與實(shí)踐。結(jié)合上述介紹，現(xiàn)利用Mikron_UCP_800Duro五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床對(duì)虛擬仿真、五軸葉輪編程及工藝規(guī)劃等重要技術(shù)進(jìn)行探究。

1 葉輪結(jié)構(gòu)和加工難點(diǎn)分析

本次實(shí)驗(yàn)所用的整體葉輪高度是75毫米，直徑是160毫米，主葉片和副葉片共16組，葉片深度為26.6毫米，3.15毫米是各個(gè)葉片之間的最小距離，最小壁厚是0.43毫米。葉片曲目是自由曲面并且有比較大的曲率變化，輪廓精度標(biāo)準(zhǔn)是0.04毫米。整體葉輪的兩個(gè)重要組成部分分別是輪轂和葉片，而葉片又是由吸力面、壓力面等部位共同構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 整體葉輪結(jié)構(gòu)

通過(guò)分析整體葉輪的結(jié)構(gòu)，能夠發(fā)現(xiàn)對(duì)整體葉輪五軸聯(lián)動(dòng)加工主要存在以下幾個(gè)重要難點(diǎn)：（1）葉片壁厚的最小值是0.43毫米，長(zhǎng)度大于40毫米，葉片比較長(zhǎng)并且厚度較小，剛性比較差，在進(jìn)行切削時(shí)，比較容易產(chǎn)生振動(dòng)或變形的情況。（2）葉片有比較大的扭曲角度，容易導(dǎo)致反扣面的形成，并且各個(gè)相鄰葉片之間的距離非常小，這就使得流道不僅較深并且寬度還不夠，在進(jìn)行實(shí)際加工過(guò)程中，容易導(dǎo)致刀具干涉及相鄰輪廓之間過(guò)切的情況，應(yīng)該確保機(jī)床擺動(dòng)軸具有較大的擺動(dòng)空間，另外，刀具不具備較好的剛性，比較容易發(fā)生折斷現(xiàn)象，這是因?yàn)槠渲睆捷^小，切削刃還長(zhǎng)。（3）對(duì)葉輪形狀精確度以及表面粗糙度有較高的要求，葉輪的動(dòng)平衡性能是由葉輪表面的形狀精度來(lái)決定的，流道及葉片之間表面的粗糙度會(huì)對(duì)葉輪的工作性能造成直接影響，所以，要保證流道的表面和葉片的曲面有相同的紋理。

2 整體葉輪五軸加工工藝的規(guī)劃

2.1 一般工藝流程

因?yàn)檎w葉輪需要利用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床完成加工工作，具備非常復(fù)雜的工藝流程，并且有比較多的工序。首先，應(yīng)進(jìn)行毛培制造，然后在經(jīng)過(guò)多軸數(shù)控加工，等零件成型后還需做零件檢測(cè)等階段共同組成了完整的加工過(guò)程。鍛件一般可以作為整體葉輪的毛坯，通過(guò)數(shù)控車(chē)床完成毛坯形狀的加工；最后，整體葉輪加工完成的整個(gè)一系列過(guò)程被叫作多軸數(shù)控加工階段，其中葉片的加工、等曲面和清根等環(huán)節(jié)是整個(gè)加工過(guò)程中最主要的?？梢詫⒚鲀?nèi)應(yīng)力去除的過(guò)程加入整個(gè)過(guò)程的某部分階段中，比如，在進(jìn)行葉片精加工的前期，可以通過(guò)振動(dòng)時(shí)效、退火處理以及人工時(shí)效等措施去除應(yīng)力。最后是對(duì)整體葉輪進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)工作可以利用三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備來(lái)完成。

整體葉輪多軸數(shù)控加工階段的流程如下：對(duì)葉盤(pán)進(jìn)行粗加工—?dú)堄鄳?yīng)力的去除—對(duì)葉片進(jìn)行精加工—輪轂精加工，在此過(guò)程中，倒圓角和清根加工是精加工的主要內(nèi)容。盡可能將多余的材料去除是對(duì)葉盤(pán)進(jìn)行加工的目的，將整體葉輪大概的輪廓加工出來(lái)；精加工主要包括葉根圓角精加工、葉片精加工以及輪轂精加工等，此階段在完整的加工過(guò)程中非常重要，可以決定整體葉輪的表面質(zhì)量和尺寸的精確度。

2.2 整體葉輪毛坯加工和裝夾方案

在自動(dòng)編程CAM軟件中，應(yīng)該先把毛坯確定好然后生成刀具；在進(jìn)行整體葉輪實(shí)際加工的過(guò)程中，應(yīng)先將符合要求的毛坯加工出來(lái)。不同材料和形狀的毛坯，存在比較大差別的機(jī)械加工工藝。所以，在進(jìn)行整體葉輪加工時(shí)，應(yīng)將毛坯的尺寸以及毛坯材料等參數(shù)設(shè)置好。

可以通過(guò)鑄造或鍛造的方法完成整體葉輪毛坯的加工，由于通過(guò)鑄造獲得的毛坯通常會(huì)有氣孔和砂眼等缺陷，所以不經(jīng)常被使用，在比較重要的場(chǎng)合用的鍛造毛坯比較多。鍛造毛坯的尺寸和形狀與成品相似度較高，這樣可以提高材料的利用率。鍛造的毛坯留的余量比較小，可以通過(guò)數(shù)控車(chē)床來(lái)進(jìn)行車(chē)削加工，使得整體葉輪毛坯的尺寸和精度都能達(dá)到要求。由于工件毛坯是回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，因此，可以利用比較常用的自定心三爪卡盤(pán)對(duì)工件進(jìn)行裝夾。

2.3 機(jī)床的選擇

整體葉輪加工設(shè)備必須具有強(qiáng)大的功能以及良好的性能，比如，較快的運(yùn)算速度、較強(qiáng)的程序預(yù)處理功能、擺動(dòng)角度范圍大以及較高的主軸轉(zhuǎn)速等。此次試驗(yàn)選用的是Mikron_UCP_800Duro五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，能夠滿(mǎn)足葉片曲率變化較大的要求。其具體技術(shù)參數(shù)如下：X軸行程是700mm，Y軸行程是700mm，Z軸行程是400mm，主軸轉(zhuǎn)速是0～20000rad每分鐘，進(jìn)給速度為0～30m每分鐘，工作臺(tái)尺寸大小為600mm×600mm。

2.4 整體葉輪加工編程零點(diǎn)的選擇

數(shù)控程序中的原點(diǎn)就是編程零點(diǎn)，為方便計(jì)算及五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上對(duì)刀具的需要，在毛坯的表面中心的位置設(shè)置好編程零點(diǎn)。在進(jìn)行機(jī)床的實(shí)際操作時(shí)，應(yīng)該對(duì)測(cè)量刀具安裝長(zhǎng)度的刀儀進(jìn)行校對(duì)，然后在數(shù)控系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)，并且利用尋邊器對(duì)刀，確定編程坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

2.5 整體葉輪加工刀具的選擇

成品刀具和標(biāo)準(zhǔn)刀柄兩部分組成了整體葉輪加工刀具系統(tǒng)，其中成品刀具部分跟平時(shí)用的刀具一樣，比如，絲錐、鉆頭、鉸刀等。標(biāo)準(zhǔn)刀柄部分能夠?qū)C(jī)床自動(dòng)換刀的要求進(jìn)行滿(mǎn)足，可以在機(jī)床主軸上完成拉緊定位和自動(dòng)松開(kāi)，并將各種刀具進(jìn)行準(zhǔn)確無(wú)誤的安裝，裝刀和刀應(yīng)該要適應(yīng)機(jī)械手，方便在刀庫(kù)中的識(shí)別、搬運(yùn)和儲(chǔ)存管理等工作的進(jìn)行。通常是采用球頭銑刀對(duì)整體葉輪等典型曲面類(lèi)零件進(jìn)行加工，但在加工曲面部位比較平坦的地方時(shí)，刀具會(huì)用球頭頂端進(jìn)行切削，切削環(huán)境條件比較差，所以，可以換用環(huán)形銑刀，環(huán)形銑刀又被稱(chēng)為牛鼻刀或是R角立銑刀，它與平底立銑刀有比較相像的外形。

2.6 五軸加工工藝方案

對(duì)于五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工刀具軌跡的規(guī)劃是整體葉輪加工的關(guān)鍵所在，粗切、葉片精修、輪轂精修和圓角精修等工序是整體葉輪主要刀具的軌跡：（1）流道粗加工主要是將葉輪和葉片之間的余量進(jìn)行去除以及主葉片和副葉片的粗加工，目的是為流道和葉片的精加工打下基礎(chǔ)。在進(jìn)行粗加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)在5000R每分鐘，進(jìn)給速度是每分鐘0.3米，深度分層是1.3毫米，行間距是0.4毫米，并預(yù)留出1.6～2.0毫米的精加工余量。（2）葉片精加工主要是進(jìn)行壓力面和包覆面的精加工。有時(shí)候需要降低振紋，提高加工精度，葉片精加工的兩道工序分別是半精加工和全精加工，半精主軸每分鐘的轉(zhuǎn)速為12000R，每分鐘的進(jìn)給速度是1.8米，并將0.2毫米的精加工余量預(yù)留出來(lái)。精加工主軸每分鐘轉(zhuǎn)速是14000R，每分鐘的進(jìn)給速度是1.2米，切除0.3毫米的余量，加工余量不需要進(jìn)行預(yù)留。（3）在對(duì)流道進(jìn)行精加工過(guò)程中，應(yīng)該將刀痕設(shè)置為軸向，另外，還需要使流道刀痕保持一致。（4）圓角精加工：進(jìn)行清根加工處理的工作位置是葉片底部圓角處，需要確保刀具參數(shù)和刀軸設(shè)置與流道精加工的各種參數(shù)具有一致性。

3 實(shí)體驗(yàn)證

從整體葉輪的實(shí)體試制工作中可以看出，加工程序的優(yōu)化能夠通過(guò)上述方案得以實(shí)現(xiàn)，防止刀具干預(yù)，并且對(duì)加工速率的提升具有積極促進(jìn)作用，另外，也使零件的加工質(zhì)量得到明顯提高，經(jīng)檢測(cè)，可以滿(mǎn)足整體葉輪尺寸精度和表面粗糙度的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)整體葉輪的結(jié)構(gòu)及加工難點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了機(jī)床、刀具、CAD/CAM軟件選擇及加工工藝規(guī)劃等方面的探討，并經(jīng)過(guò)實(shí)體驗(yàn)證證明，在Mikron_UCP_800Duro五軸加工中心上能夠讓整體葉輪的加工順利完成，而且任何刀具碰撞及干涉等不良現(xiàn)象都沒(méi)有發(fā)生，也可以滿(mǎn)足性能對(duì)加工精度的要求，可以作為相類(lèi)似葉輪加工的借鑒對(duì)象。