基于制造特征和非均匀余量的轴流式叶轮叶片工艺优化

徐海潜，吕博鑫

(1．上海应用技术大学 工程训练中心，上海 201418；2．西门子工业软件(上海)有限公司，上海 200050)

0 引言

复杂曲面整体叶轮零件是航空航天、船舶工业、军事能源、高端医疗设备等诸多领域高精尖机械装备的核心零部件，其曲面形状和制造精度直接影响装备的工作效率[1-2]，整体叶轮一般采用后弯式大扭角叶片或前倾后弯式大扭角叶片，叶片与轮毂采用根部圆角流畅衔接的整体结构，结构复杂、叶片曲面扭曲严重[3-4]，加工时容易产生叶片或流道的过、欠切现象。更特殊的叶轮叶片拥有较薄的前缘、尾缘且高厚比较大，加工时更易产生变形，甚至引起叶片崩刃、卷曲，致使零件报废[5]。采用何种制造工艺才能最大限度还原这类特殊结构叶片的设计理念成为亟需解决的难题[6]。随着现代工业的飞速发展，先进制造技术手段的日趋成熟，整体叶轮系零件的结构设计越来越复杂，精度要求亦不断提高，为整体叶轮系零件工艺过程中的变形控制技术提出了巨大的挑战[7]。

当前在提高整体叶轮制造精度和降低薄壁零件加工变形误差的研究方面，吴宝海等[8]提出一种无碰撞干涉条件下的最大刀具直径和最小刀长的选择方法，显著提高了叶轮类零件的加工效率和加工稳定性；李湉等[9]提出了基于加工特征分类的整体叶轮5轴数控铣削程序模块划分方法，并基于Vericut验证了其可行性和正确性；另外，白万金等[10]提出了薄壁件阶梯对称铣削方案；蔡安江等[11]提出了一种基于前置与后置处理的5轴数控加工3D刀具补偿方法；蔡飞飞等[12]应用田口法和方差分析法确定了叶片铣削的最佳参数组合。上述方案提升叶轮制造精度方面均得到了较好的效果，但一些方法受限于制造现场条件，使用难度较大。本文基于生产实践中的某型号环控系统内置轴流式复杂曲面整体叶轮，论述了该类型零件的制造难点，使用加工现场易于实施的工艺优化方案，基于制造特征和非均匀余量优化了轴流式叶轮叶片的制造工艺，在MIKRON UCP800 Duro机床上进行相同工况下的对比切削试验，最后使用三维扫描检测得到了优化前后叶片吸、压力面的偏差数值，验证了该工艺优化测试的有效性和实用性。

1 叶片切削振动的固有频率公式

对于轴流式整体叶轮叶片，其结构可简化为一个叶根与轮毂以定半径或变半径圆角固定，叶冠无约束的悬臂梁，引入悬臂梁运动微分方程：

(1)

叶轮叶片的边界条件为：

(2)

将其带入方程(1)后整理得到轴流式叶轮叶片系统的固有频率公式为：

(3)

其中，E为叶片弹性模量，I是叶片横截面惯性矩，l为叶片长度，ρ为叶片材料密度，A为叶片横截面面积。

由固有频率公式可知，叶轮叶片的抗弯强度越大，则其固有频率越高。

2 非均匀余量和制造特征的工艺优化

如图1所示为案例轴流式复杂曲面整体叶轮模型，该叶轮材料为6063航空铝合金，径向均布20个叶片，其他具体尺寸参数如表1所示。

图1 轴流式复杂曲面整体叶轮模型

表1 案例整体叶轮基本尺寸参数表

该叶轮为典型的轴流式复杂曲面整体叶轮，叶片前、尾缘与叶片中部厚度差距较大，横断面呈梭型，叶轮技术要求精度为曲面轮廓度偏差±0.15mm，叶片表面无振刀纹和接刀痕，叶片根部不得出>0.1mm的明显接刀痕，动不平衡量<0.02g。故制造难度主要体现在以下几个方面：

(1)该例叶轮叶片及流道扭曲较严重，流道狭窄，加工时刀具极易发生干涉现象；

(2)叶片高度与叶冠叶根最大厚度的平均值之比(ε)为22.68，切削刚性差，刀具系统与叶片切削时容易引发切削颤振，并易在叶片叶冠和前、尾缘处产生明显振刀纹，影响表明质量和加工精度；

(3)叶片最薄处位于尾缘，厚度仅为0.2mm，容易引起叶片崩刃或卷曲。

2.1 基于非均匀余量工艺优化

如图2所示，设叶片曲面的参数方程为S(u,v),其中叶片纵向为v方向，横向为u方向。

图2 基于非均匀余量工艺优化方案图

在v方向上，引入高度与叶冠叶根最大厚度的平均值之比(ε)，即：

(4)

其中，H为叶片高度，δmax1为叶根厚度最大值，δmax2为叶冠厚度最大值。

将叶片由叶冠向叶根离散为等高的n段，设Cx为叶片第x层所占叶片总高度的百分比，Lx为分段后叶片第x层的高度，ΔX为叶片在第x层其在横截面u方向上加厚的值，则：

(5)

案例叶轮可从v方向离散为等高的10段，当20≤ε<25时，一般可将叶片划分为3层，每层的加厚值为：

每层间以球头铣刀半径自成圆角过渡，粗加工时可以选用大直径，较大倾斜角，刚性佳的锥度球头铣刀以较大切深、大进给量去除流道大部分材料，后转为使用较小直径，较小倾角的锥度球头刀逐层精加工，分层精加工时每层间留2%～4%左右的重叠区域，避免漏切材料形成接刀痕。

2.2 基于制造特征的工艺优化

在叶片的u方向上，案例叶片的前、尾缘较薄而叶片中部较厚，叶片最薄处位于叶片尾缘靠近叶冠部分，加工时该位置容易产生振刀纹，严重时引发崩刃或卷曲，故采用基于制造特征的分区域铣削工艺优化方案。

如图3所示，整个叶片靠近叶片前缘和尾缘的25%为刚性最差的部分，故可将叶片在u方向上分为3个部分，即：

图3 基于制造特征的分区域铣削工艺方案图

在基于非均匀余量工艺优化的粗加工与精加工之间，再加入基于加工特征的分区域铣削工艺优化。即粗加工完毕后，此时叶片在v方向上呈宝塔状，总体刚性较好。先用球头铣刀加工叶片刚性相对较差的叶片前缘和尾缘部分，使其先达到技术文件要求的尺寸，再使用环绕叶片加工的方式将刚性良好的叶片中部加工完成，叶片前、尾缘部分以径向零吃刀量被空铣一刀，既可以稳定加工尺寸，又不会留下接刀痕。图4所示为在NX中显示的叶片前、尾缘铣削加工的刀具轨迹。

图4 基于制造特征的分区域铣削刀具轨迹

3 实例验证

为验证以上论述的工艺优化方案的有效性和实用性，设计对比加工试验。由于叶轮径向均布多个叶片，故可以使用相同的刀具和机床，在相同的工况下，同一个毛坯上进行加工试验。部分叶片使用正常的切削工艺，即先进行完整的流道粗加工，后进行完整的叶片精加工，最后精加工流道底部。另一部分叶片使用优化后的工艺步骤及相关参数，具体如表2所示。

表2 优化后的工艺步骤及相关参数表

使用NX进行优化后工艺方案的刀具轨迹规划，叶轮流道分层粗加工和环绕叶片精加工的刀具轨迹如图5所示。在MIKRON UCP800 Duro机床上进行加工试验，使用精镗铜制软爪配合定位芯轴的方案进行零件装夹，装夹时找正毛坯端面平面度及径向跳动量≤0.02mm，图6所示为对比切削试验现场图片。

图5 基于NX的刀具轨迹规划

(a) 叶片粗加工 (b) 叶片精加工 (c) 零件成品 图6 对比切削试验

最后基于三维扫描检测技术得到优化前后的叶片曲面点云数据，将其进行模型重构后与NX的叶轮加工模型进行曲面轮廓度比对，得到工艺优化前后叶片吸力面和压力面的偏差数值，在叶片各面上随机选取任意10个数据点，偏差数值如表3所示。

表3 优化前后叶片吸、压力面随机点偏差数据

表面质量方面，如图7所示可看出，工艺优化前在叶片吸力面尾缘靠近叶冠的部分出现明显振刀纹，严重影响叶片表面光洁度，而工艺优化后的叶片表面光洁度较高，无振刀纹产生。

(a) 优化前的叶片 (b) 优化后的叶片 图7 优化前后叶片表面质量对比

4 结论

(1)优化前叶片吸力面各点位及平均偏差虽然位于公差带内，但均偏上差；优化前叶片压力面大部分点位不满足尺寸要求，平均偏差距图纸要求的公差约0.09mm；优化后的叶片吸、压力面各点位均较好地满足技术要求，平均偏差较优化前有明显提高，吸力面和压力面的曲面轮廓精度平均优化率分别为28.8%和65.7%；

(2)工艺优化后的叶轮叶片表面光洁度较高，无过切干涉现象，无明显振刀纹，叶片形状完整饱满，较好地还原了设计理念；

(3)切削对比试验及三维扫描检测结果有力地证明了该工艺优化策略的实用性和有效性。