基于HYPERMILL 叶轮模具母轮加工方法的研究

张云玲

(上海建桥学院 机电学院，上海 201319)

0 引言

近几年涡轮增压技术应用在汽车、船舶等行业应用越来越广泛，叶轮做为增压器中最重要的零件之一，需求量也越来越大［1］。目前，这种复杂曲面的零件一般采用五轴联动数控机床加工，五轴机床加工成本较高，周期也较长，所以大部分的压气机叶轮还是采用金属砂形铸造的方法成型，再用车床进行车削。翻砂出来的叶轮的好坏完全取决于母轮的好坏，因此叶轮模具母轮的加工尤为重要。

1 叶轮结构

本文研究的叶轮是是一种半开式的等长空间基元曲线叶轮，叶轮只有一种等长叶片，叶尖没有前端盖封闭，叶片曲面为空间自由曲面，建模需要采用非均匀B 样条插值曲线，加工需采用自由曲面的五轴联动数控加工［2］。

2 叶轮加工准备

2.1 材料选择

叶轮模具母轮材料的选择很重要，其应有良好的综合机械性能，常温及高温强度、塑性、韧性都要求较高。为了保证制造模具时尽量少有残渣，特选用美铝7075 牌号铝合金做为母轮的加工材料。

2.2 机床准备

本文中的叶轮加工采用的是MAZAK 公司的五轴联动立式加工中心VARIAXIS 500 5X 机床，最高主轴转速12000 RPM，A 轴工作台摆幅为－12° ～+3°，C 轴工作台可以360°旋转。切削进给速度1 ～50000MM/MIN，是一种高速、高生产率、高价值的机床，能够实现中小批量、多品种、高效率的生产。

2.3 刀具准备

图1 叶轮加工夹具

叶轮加工中的刀具选择比较严格。选择刀具时应考虑毛坯材料、机床、允许的切削用量、刚度和耐用度、精度要求、加工阶段等因素［3］。加工整体叶轮的刀具多选择圆锥球头或平头铣刀，少数也选择端铣刀和鼓形铣刀。本文粗加工、半精加工及精加工所采用刀具均为定制圆锥球头刀具。所有刀具材料均为硬质合金［4］。

2.4 夹具准备

考虑到实际加工的需要，夹具尽量简单方便，本例采用如图1所示自制简易夹具。夹具底部与叶轮底面采用的是螺纹联接，将夹具直接装夹在三爪卡盘上，找正后即可进行加工。

2.5 毛坯准备

选用CKA6136 数控车床进行外形轮廓粗加工车削，单边留有1mm 余量。为保证同轴度、垂直度，将车削后的毛坯装夹至五轴加工中心上，再进行轮廓的精加工铣削［5］。

3 叶轮加工工艺方案

目前，可用于五轴加工的软件多种多样，本例选用的是HYPERMILL 软件进行刀路轨迹设置与编程。三维模型的建立在这里不做过多赘述，将做好的三维模型档案导入HYPERMILL 软件［6］。经过分析，叶片和流道的加工路线如下:①叶轮开粗;②叶片半精加工;③流道半精加工;④叶片精加工;⑤流道精加工。

(1)叶轮开粗

由于叶轮根部的间隙比较小，较大的刀具开不到叶轮根部，如果采用较小刀具一次开到叶轮根部，效率太低，刀具也容易折断。所以设置开粗方式为两次开粗。

第一次开粗:所选刀具为R2 锥度3 度的球头刀，开粗策略设置如图2 所示，开粗策略有流道等距、流线、毛坯面等距等方式，开粗的目的是尽快的去除余量，所以选择毛坯等距面策略，从叶轮的进气边进刀，采用双向加工的方式进行开粗。第一次开粗时，最大切深为2.5mm，横向步距为2.2mm，垂直步距为2.2mm，流道余量设置为0.22mm。叶片余量为0.25mm，具体设置见图3 所示。

图2 叶轮开粗策略设置

图3 叶轮一次开粗参数设置

经计算得第一次开粗刀位轨迹，由于刀具过大，加工到一定深度会出现刀具与叶片干涉。所以需要换较小刀具进行第二次开粗。一次开粗顶部限制为0，底部限制为13mm，二次开粗顶部限制为13mm，底部为0。第二次开粗所用刀具为R1 锥度为3 度的球头刀。

图4 开粗后实物图

(2)叶片、流道半精加工

图4 所示为粗加工完成后叶轮实际效果图。由两把刀完成整个开粗过程，由图可看出粗加工去除了大部分材料，但叶轮表面比较粗糙，余量不均匀，所以在精加工前需要进行半精加工。

选用刀具为R1A3 的球头刀做为大小叶片及流道面半精加工和精加工刀具，大叶片的半精加工最大步距为0.5mm，叶片余量0.1mm，流道余量为0.15mm，主轴转速为10000r/min，进给速度为2000mm/min。叶片余量0.2mm。

小叶片的半精加工最大步距为0.5mm，叶片余量0.12mm，流道余量0.15mm，主轴转速为10000r/min，进给速度为2000mm/min。

进行半精加工时如果参数设置不合理，可能会出现刀具与叶片干涉或过切现象，出现干涉的原因有很多，其中引导边缘和退出边缘的设置最常见，一般情况下，需要通过计算刀路、调整参数反复进行，将引导边缘、退出边缘最小角度调整至最合理的范围［7］。

流道面半精加工时，最大步距为0.5mm，叶片余量0.13mm，流道余量0.1mm，主轴转速为10000r/min，进给速度为2000mm/min。注意走刀方向与气体运动方向一致。

(3)叶片、流道精加工:

大小叶片的精加工时需要注意叶片厚度与档案相符，在进行加工前，需要首先进行试加工，此时叶片余量不能一次去除，先设置余量为0.05mm，加工出可测量的叶片长度，进行叶片厚度的测量，根据实际的叶片余量做出刀路余量的相应调整，直至叶片厚度合格为止。

大叶片的精加工设置最大步距为0.15mm，叶片余量0.00mm，流道余量0.06mm，主轴转速为10000r/min，进给速度为2000mm/min。小叶片的精加工设置最大步距为0.15mm，叶片余量0.00mm，流道余量0.06mm，主轴转速为10000r/min，进给速度为2000mm/min。用叶片精加工策略，经计算生成的大小叶片的精加工轨迹。如图5 所示。

(4)叶轮流道面的精加工

叶轮流道面的精加工，需要注意与叶轮的头部外圆需要连接光滑、顺畅，不能出现内凹或凸起。与大小叶片的精加工同理，首先进行试加工，通过反复调整，使流道面与叶轮头部接顺。叶轮流道面的精加工最大步距为0.15mm，叶片余量0.06mm，流道余量0.00mm，主轴转速为10000r/min，进给速度为2000mm/min。利用流道精加工策略，经计算生成的流道面精加工轨迹。如图6 所示。

加工完成的实物图如7 所示，叶轮表面质量良好，经三坐标测量仪测量结果公差在允许范围内。

图5 叶片精加工刀路轨迹

图6 流道面精加工刀路轨迹

图7 叶轮模具母轮加工后实物

4 结论

本文以某厂家增压器内的转子叶轮模具的母轮为例，采用HYPERMILL 软件进行了母轮加工工艺的详细介绍，因叶轮的叶片扭曲较大，流道较窄，所以加工时容易产生过切。文中采用了二次开粗的方法，避免了过切，又提高了粗加工效率，对于精加工采用了试加工后测量叶片厚度，根据叶片厚度余量进行参数设置，流道面与头部相接时，需要反复进行调整，直到流道与头部光滑相接。加工出的母轮经三坐标测量，误差在允许的范围内，已应用于叶轮模具的制造。

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