整体叶轮五轴数控加工技术的研究

李银涛

（山东技师学院，山东 济南 250200）

整体叶轮作为燃气发动机中的关键零件，具有将气体连续不断地进行压缩并传输出去的作用，此作用是依靠外界供给的机械功来完成。气体通过进气管进入工作轮中，由于叶片产生的作用力使得气体压力升高而让速度得到提升。因此，应保证叶轮具有尽可能降低气体经过叶轮时造成的损耗的作用，即要提高效率。叶轮能够发挥自身良好功效的保障是具有一个科学合理的外形构造。在进行叶轮的设计过程中，需要对叶片的数量和外部轮廓进行多次修正，确保性能可以得到优化。当前国内外通过对各种具有多轴数控编程功能软件的应用，比如，UG、CATIA、PowerMill等，进行多轴加工研究，但五轴联动数控加工技术十分复杂，比较关键的技术还需要进一步的研究与实践。结合上述介绍，现利用Mikron_UCP_800Duro五轴联动数控机床对虚拟仿真、五轴叶轮编程及工艺规划等重要技术进行探究。

1 叶轮结构和加工难点分析

本次实验所用的整体叶轮高度是75毫米，直径是160毫米，主叶片和副叶片共16组，叶片深度为26.6毫米，3.15毫米是各个叶片之间的最小距离，最小壁厚是0.43毫米。叶片曲目是自由曲面并且有比较大的曲率变化，轮廓精度标准是0.04毫米。整体叶轮的两个重要组成部分分别是轮毂和叶片，而叶片又是由吸力面、压力面等部位共同构成，如图1所示。

图1 整体叶轮结构

通过分析整体叶轮的结构，能够发现对整体叶轮五轴联动加工主要存在以下几个重要难点：（1）叶片壁厚的最小值是0.43毫米，长度大于40毫米，叶片比较长并且厚度较小，刚性比较差，在进行切削时，比较容易产生振动或变形的情况。（2）叶片有比较大的扭曲角度，容易导致反扣面的形成，并且各个相邻叶片之间的距离非常小，这就使得流道不仅较深并且宽度还不够，在进行实际加工过程中，容易导致刀具干涉及相邻轮廓之间过切的情况，应该确保机床摆动轴具有较大的摆动空间，另外，刀具不具备较好的刚性，比较容易发生折断现象，这是因为其直径较小，切削刃还长。（3）对叶轮形状精确度以及表面粗糙度有较高的要求，叶轮的动平衡性能是由叶轮表面的形状精度来决定的，流道及叶片之间表面的粗糙度会对叶轮的工作性能造成直接影响，所以，要保证流道的表面和叶片的曲面有相同的纹理。

2 整体叶轮五轴加工工艺的规划

2.1 一般工艺流程

因为整体叶轮需要利用五轴联动数控机床完成加工工作，具备非常复杂的工艺流程，并且有比较多的工序。首先，应进行毛培制造，然后在经过多轴数控加工，等零件成型后还需做零件检测等阶段共同组成了完整的加工过程。锻件一般可以作为整体叶轮的毛坯，通过数控车床完成毛坯形状的加工；最后，整体叶轮加工完成的整个一系列过程被叫作多轴数控加工阶段，其中叶片的加工、等曲面和清根等环节是整个加工过程中最主要的。可以将毛坯内应力去除的过程加入整个过程的某部分阶段中，比如，在进行叶片精加工的前期，可以通过振动时效、退火处理以及人工时效等措施去除应力。最后是对整体叶轮进行检测，检测工作可以利用三坐标测量设备来完成。

整体叶轮多轴数控加工阶段的流程如下：对叶盘进行粗加工—残余应力的去除—对叶片进行精加工—轮毂精加工，在此过程中，倒圆角和清根加工是精加工的主要内容。尽可能将多余的材料去除是对叶盘进行加工的目的，将整体叶轮大概的轮廓加工出来；精加工主要包括叶根圆角精加工、叶片精加工以及轮毂精加工等，此阶段在完整的加工过程中非常重要，可以决定整体叶轮的表面质量和尺寸的精确度。

2.2 整体叶轮毛坯加工和装夹方案

在自动编程CAM软件中，应该先把毛坯确定好然后生成刀具；在进行整体叶轮实际加工的过程中，应先将符合要求的毛坯加工出来。不同材料和形状的毛坯，存在比较大差别的机械加工工艺。所以，在进行整体叶轮加工时，应将毛坯的尺寸以及毛坯材料等参数设置好。

可以通过铸造或锻造的方法完成整体叶轮毛坯的加工，由于通过铸造获得的毛坯通常会有气孔和砂眼等缺陷，所以不经常被使用，在比较重要的场合用的锻造毛坯比较多。锻造毛坯的尺寸和形状与成品相似度较高，这样可以提高材料的利用率。锻造的毛坯留的余量比较小，可以通过数控车床来进行车削加工，使得整体叶轮毛坯的尺寸和精度都能达到要求。由于工件毛坯是回转体结构，因此，可以利用比较常用的自定心三爪卡盘对工件进行装夹。

2.3 机床的选择

整体叶轮加工设备必须具有强大的功能以及良好的性能，比如，较快的运算速度、较强的程序预处理功能、摆动角度范围大以及较高的主轴转速等。此次试验选用的是Mikron_UCP_800Duro五轴联动数控机床，能够满足叶片曲率变化较大的要求。其具体技术参数如下：X轴行程是700mm，Y轴行程是700mm，Z轴行程是400mm，主轴转速是0～20000rad每分钟，进给速度为0～30m每分钟，工作台尺寸大小为600mm×600mm。

2.4 整体叶轮加工编程零点的选择

数控程序中的原点就是编程零点，为方便计算及五轴联动加工中心上对刀具的需要，在毛坯的表面中心的位置设置好编程零点。在进行机床的实际操作时，应该对测量刀具安装长度的刀仪进行校对，然后在数控系统中输入数据，并且利用寻边器对刀，确定编程坐标系的原点。

2.5 整体叶轮加工刀具的选择

成品刀具和标准刀柄两部分组成了整体叶轮加工刀具系统，其中成品刀具部分跟平时用的刀具一样，比如，丝锥、钻头、铰刀等。标准刀柄部分能够对机床自动换刀的要求进行满足，可以在机床主轴上完成拉紧定位和自动松开，并将各种刀具进行准确无误的安装，装刀和刀应该要适应机械手，方便在刀库中的识别、搬运和储存管理等工作的进行。通常是采用球头铣刀对整体叶轮等典型曲面类零件进行加工，但在加工曲面部位比较平坦的地方时，刀具会用球头顶端进行切削，切削环境条件比较差，所以，可以换用环形铣刀，环形铣刀又被称为牛鼻刀或是R角立铣刀，它与平底立铣刀有比较相像的外形。

2.6 五轴加工工艺方案

对于五轴联动数控加工刀具轨迹的规划是整体叶轮加工的关键所在，粗切、叶片精修、轮毂精修和圆角精修等工序是整体叶轮主要刀具的轨迹：（1）流道粗加工主要是将叶轮和叶片之间的余量进行去除以及主叶片和副叶片的粗加工，目的是为流道和叶片的精加工打下基础。在进行粗加工时主轴转速应在5000R每分钟，进给速度是每分钟0.3米，深度分层是1.3毫米，行间距是0.4毫米，并预留出1.6～2.0毫米的精加工余量。（2）叶片精加工主要是进行压力面和包覆面的精加工。有时候需要降低振纹，提高加工精度，叶片精加工的两道工序分别是半精加工和全精加工，半精主轴每分钟的转速为12000R，每分钟的进给速度是1.8米，并将0.2毫米的精加工余量预留出来。精加工主轴每分钟转速是14000R，每分钟的进给速度是1.2米，切除0.3毫米的余量，加工余量不需要进行预留。（3）在对流道进行精加工过程中，应该将刀痕设置为轴向，另外，还需要使流道刀痕保持一致。（4）圆角精加工：进行清根加工处理的工作位置是叶片底部圆角处，需要确保刀具参数和刀轴设置与流道精加工的各种参数具有一致性。

3 实体验证

从整体叶轮的实体试制工作中可以看出，加工程序的优化能够通过上述方案得以实现，防止刀具干预，并且对加工速率的提升具有积极促进作用，另外，也使零件的加工质量得到明显提高，经检测，可以满足整体叶轮尺寸精度和表面粗糙度的要求。

4 结语

本文在对整体叶轮的结构及加工难点进行分析的基础上，进行了机床、刀具、CAD/CAM软件选择及加工工艺规划等方面的探讨，并经过实体验证证明，在Mikron_UCP_800Duro五轴加工中心上能够让整体叶轮的加工顺利完成，而且任何刀具碰撞及干涉等不良现象都没有发生，也可以满足性能对加工精度的要求，可以作为相类似叶轮加工的借鉴对象。