解决D100叶轮加工中干涉过切问题的对策

陈志荣

（广东省机械技师学院，广州 510450）

1 存在的问题

采用四轴数控机床（如图1 所示）加工TWLQ-100 型涡轮气体流量计的核心部件D100 叶轮，难度较大，需要设计专用夹具（如图2 所示）。

图1 加工叶轮的四轴数控机床

图2 加工叶轮的专用夹具

D100 叶轮的基本参数如下：叶片材料为硬铝（LY11），叶片数为20 片，叶片高度18.5 mm，叶片厚度为1 mm，叶根圆直径为φ63 mm，叶顶圆直径为φ100 mm，分度圆直径为φ82 mm，螺旋升角为45°，叶片旋向为左旋。

经分析，将其加工工艺流程确定为如图3 所示的7大步骤，包括：开槽粗加工→叶片精加工→轮毂精加工。

图3 加工叶轮的工艺流程

但加工过程中出现了以下两种典型的干涉过切问题：1）如图4（a）所示，刀具与叶片之间的过切；2）如图4（b）所示，刀套与叶顶之间的干涉。

图4 两种干涉过切

干涉过切是一个致命性的问题，一旦出现，成品合格率几乎为零，所以解决干涉过切问题是保证产品质量的关键环节之一。而且，为保证叶轮的质量和使用要求，在仿真加工与碰撞干涉检查（步骤5）工序中就要解决干涉过切问题。

2 原因分析

造成干涉过切问题的主要原因有以下3 点：1）叶片间宽小，留给刀具的空间小，如图5（a）所示；2）叶片呈螺旋形，进一步减小了刀具的空间，如图5（b）所示；3）刀具直径不能太小，否则会降低刀具刚性，容易造成断刀。

图5 造成干涉过切的部分原因

正是这些矛盾，客观上留给刀具的空间小，而又要求刀具的直径不能太小，才导致了干涉过切问题。解决这一问题可以从刀具材料、刀具直径、刀具长度3 个方面入手。

3 解决方案

3.1 合理选择刀具材料以保证刀具刚性

由于叶片间宽小，要保证不过切不干涉，就要求刀具的直径不能太大，同时又要保证刀具刚性，因此在选择刀具材料时要充分考虑这个因素。由于高速钢刀具刚性不足，金刚石刀具价格昂贵，而选择硬质合金涂层刀具，不但可以满足刚性要求，保证加工质量，而且价格较为合理。综合以上因素，最终选择硬质合金涂层刀具。

3.2 合理选择刀具直径以避免刀具与叶片之间的过切

刀具直径应该小于两叶片之间槽道的最小宽度Wt，即：

通过查阅相关资料，Wt的值可按下式估计：

式中：Rd为叶根圆半径，mm；tP为叶片厚度，mm；N 为叶轮叶片个数。

根据已知条件，Rd=63/2=31.5 mm，tP=1 mm，N=20，代入式（2）计算得出：Wt=8.891 mm。因此，要求刀具直径D≤8.891 mm。

3.3 合理选择刀具长度以避免刀套与叶顶之间的干涉

为避免刀套与叶顶发生干涉，要求刀具刃长L 要大于叶片槽道的深度18.5 mm，即L≥18.5 mm。

因此，开槽粗加工选择φ8×24 mm 的圆柱立铣刀，叶片、轮毂精加工选择φ6R0.5×24 mm 的牛鼻铣刀。通过以上3 个步骤之后，把初步确定下来的刀具形状尺寸输入到仿真加工与碰撞干涉检查（步骤5）是否会发生干涉过切，其流程经过如图6 所示。

图6 叶轮仿真加工与碰撞干涉检验

经过反复计算、调整、检验，最终得出了如图7 所示刀具无干涉过切的效果。

图7 刀具无干涉过切的效果

［1］陈志荣.解决D100 叶轮加工中切削变形的对策［J］.机械工程师，2012（3）：88-89.

［2］刘民杰，王金城，董庆运.基于NURBS 插补的整体叶轮数控加工［J］.机械制造，2011，49（562）：35-38.

［3］吕程辉.整体叶轮的五轴高速铣削加工工艺优化［D］.上海：同济大学，2007.