基于精雕系统的七级叶轮加工技术实践

揭晓，张欢龙

1.台州科技职业学院 浙江台州 318020

2.北京精雕科技集团有限公司 北京 102308

1 序言

叶轮是涡轮增压器最关键的零件之一，广泛应用于航空、船舶、汽车和真空泵等行业的发动机中，其中七级叶片的复杂叶轮是涡轮分子泵内部的核心部件，而涡轮分子泵则广泛应用于真空镀膜（PVD）、半导体制造等行业中，这些行业需要在超高真空环境（10-7Pa以下）中才能工作。考虑到叶片结构复杂、曲面变化大以及精度高等特点，目前一般采用Mastercam、PowerMill、UG及CATIA等国外软件结合五轴联动机床加工，这些五轴联动机床一般采用海德汉、西门子等国外高档数控系统。为打破国外软件和数控系统在叶轮制造方面的垄断地位，北京精雕科技集团有限公司（以下简称北京精雕）开发了拥有自主产权的SurfMill软件以及北京精雕五轴联动系统，并采用在线检测、在线补偿功能加工叶轮[1]。

本文采用北京精雕的SurfMill软件造型并采用JDGR400五轴联动精雕机，对七级叶轮的五轴编程、工艺规划和实际加工进行探讨与实践。

2 七级叶轮结构及加工难点分析

七级叶轮（见图1）的基本特点：叶片分为7级，共249个叶片，材料为7075铝合金，尺寸φ360mm×286mm。该零件上的叶片是由铝合金整体加工而成，叶片加工完成后整体质量14kg。

图1 七级叶轮

经分析，七级叶轮五轴联动加工的难点如下。

1）该叶片属于典型的薄壁件，叶片高度与厚度比＞30∶1，叶片刚性差，加工时受力易变形，极易产生振动，弹刀过切风险很大。

2）相邻叶片间距小，导致加工所需刀具最大长径比为14∶1（见图2），加工时刀具的切削刚性差。

图2 刀具长径比示意

3）叶片数量多达249个，叶片间距小，每一级之间距离小，刀具和叶片之间的安全距离最小只有2mm，加工时极易产生干涉，如图3所示。

图3 刀具与叶片干涉示意

3 七级叶轮五轴加工工艺规划

3.1 设备及软件的选用

叶轮加工设备需要有强大的运算能力，且加工时主轴转速高、摆动角度范围大、联动精度高，本次选用北京精雕的JDGR400_A15SH机床，配置在机测量系统、激光对刀仪等设备，并采用北京精雕自有的软件SurfMill进行建模和编程。

3.2 刀具的选用

针对薄壁件，刀具的选择需要从减小切削力的角度出发，因此选择角度较大的前角和后角、较大的螺旋角（见图4）来减小切削力；刀具结构采用短刃刀具（见图5），锥度避空，提升刀具刚性；涂层选用DLC涂层，涂层厚1μm，提高刀具锋利度，减小切削力，提高刀具寿命及长时间加工时的稳定性[2]。

图4 大螺旋角

图5 锥度平底短刃刀具

3.3 加工工艺方案

针对长径比大的难题，为了增加刀具的刚性，在深度上采用多把刀具分段加工的方式，以保证切削刚性，提高加工效率。刀具型号及加工参数见表1。

表1 刀具型号及加工参数

3.4 编程加工方案

七级叶轮叶片数量多、间距小，刀具极易产生干涉和过切。为避免在实际加工中出现问题，采用北京精雕的DT编程技术，在软件中实现过切检查、干涉检查和机床模拟，在计算机端确保加工程序的安全，从而避免机床实际加工中的过切、干涉和碰撞等问题，如图6所示。

图6 模拟切削与加工实物

图6 叶轮加工模拟

DT编程技术最大的特点就是改变原有的调试模式，将原来需要在机床上进行的操作（包括试切加工、人为观察过切和碰撞，以及机床行程检测等），全部加载到计算机中进行，减少人员在机床上的操作，减轻调试人员的心理压力，降低调试出错的成本，缩短产品调试周期。

4 加工试验及方案改进

按照规划的方案进行加工试验，试制结果见表2。通过表2数据可看出，试制结果不满足工艺要求，需要优化改进。

表2 试制结果

4.1 方案优化改进

经分析，需要从4个方面进行优化改进：①优化加工效率。②改善表面质量。③改进夹持治具。④管控毛坯精度。

1）利用CAM软件优化叶片间连刀高度。第一阶段为保证绝对的安全，将叶片之间路径安全位置设置在Z轴原点位置；优化阶段依靠DT编程技术，将刀具连刀高度抬至叶片最高高度之上30mm，加工时间缩短了6.5h。

2）优化T9、T10刀具有效长度，增加刀具刚性。试制用的T9、T10刀具有效长度过长，刀具刚性差，切削参数无法提升，严重影响加工效率。依靠DT编程技术，精确计算T9、T10刀具所需的最短有效长度，从而提升刀具刚性，增加刀具切削用量，将叶轮加工时间缩短了55min。

3）优化表面质量，缩短人工处理时间。叶轮加工完成后，其叶片锐角边留下了大量的毛刺，需要手工清理，工作量较大，并且毛刺会影响工件整体动平衡性能，因此在加工时加入去毛刺程序，节省去毛刺的时间。另外，在机测量刀具锥度，减轻不同刀具间的接刀痕，使用激光对刀仪准确测量刀具锥度和直径，将刀具偏差补偿在加工路径中，确保各刀具间的接刀痕＜0.008mm。

4.2 解决动平衡问题

对于产品的批量生产，动平衡振幅能否控制在5μm以内是生产的关键。目前机床精度、温度管控都是合格的，针对动平衡偏大问题，经过分析判断，是治具锥面和毛坯锥面配合误差较大，使得毛坯安装后毛坯轴线倾斜引起的。毛坯轴向圆跳动＞0.04mm，直接影响叶轮加工后的动平衡[3]。治具夹持如图7所示。

图7 治具夹持示意

重新精磨治具，其锥度达到5°43′9″，毛坯安装后跳动得到大幅改善，结果见表3。

表3 精磨治具后跳动改善结果

4.3 曲面加工方案

叶片曲面根据曲率可分为自由曲面和直纹曲面，自由曲面采用五轴点铣方式加工，直纹曲面采用五轴侧铣方式加工[4]，如图8所示。

图8 曲面加工方式示意

在SurfMill中建模和编程。分层粗加工如图9所示，流道精加工如图10所示。

图10 流道精加工

4.4 改进后的实际加工验证

利用DT技术和软件编程，优化了刀路和加工程序，避免了干涉，消除了动平衡，提高了加工效率，同时零件的加工质量得到提升。加工后的零件如图11所示，经检测，达到了叶轮尺寸精度和表面粗糙度的要求。

图11 加工后的七级叶轮

5 结束语

本文在分析七级叶轮结构特点和加工难点的基础上，对机床选用、刀具选择、工艺修正以及治具改进等做了深入分析。为提高效率，避免干涉，采用北京精雕特有的DT技术进行模拟校正，并通过试件的研制，优化一系列工艺参数，最后在北京精雕五轴联动机床上完成七级叶轮的加工，加工精度、表面粗糙度以及动平衡等都符合要求，给类似的叶轮及复杂零件的加工提供了参考。