试论闭式导叶轮的数控加工工艺

金东学

（延边职业技术学院 装备制造与智能控制系，吉林 延吉 133000）

闭式导叶轮具有深流道、窄空间的结构特点，使得加工制造具有较高的难度。传统的石蜡精密铸造法、电火花加工法等虽然也有一定的技术优势，但是加工所得产品存在机械强度和精度较差，无法满足闭式导叶轮的长期、稳定运行要求。多轴联动数控加工工艺可以兼顾闭式导叶轮的加工效率和加工质量，是目前综合应用效果较好的技术形式之一。掌握工艺流程及其核心技术，对提高闭式导叶轮加工质量和延长设备使用寿命有积极帮助。

1 闭式导叶轮的数控加工流程及其关键技术

1.1 工艺流程

闭式导叶轮的数控加工主要分为粗铣、半精铣、精铣三个环节，整个工艺流程，见图1。

图1 闭式导叶轮的加工流程

在粗车、粗铣流道工序中设置工艺流量时，应考虑热套密封环工序中的加热、退火操作对工件带来的变形影响，并保证“变形量＜工艺流量”。在半精铣时，其余量设置由精铣环节中刀具的刚性以及工件加工面的成型精度、表面粗糙度来决定。考虑到闭式导叶轮的形状不规则，因此加工中配合使用车工和铣工两种工艺。在处理导叶轮回转面、回转体时，选择数控车铣工艺，不仅提高了加工效率，而且能够保证回转面的粗糙度好，加工精度高。在处理复杂曲面时，选择数控铣削，可灵活适应不同曲面，保证工件型线的光顺性、流线性良好[1]。

1.2 刀具的选择

选择刀具时应综合考虑毛坯余量、材料类型、刚性与耐用度等多种因素，铣削刀具包括端铣刀、球头刀、插铣刀以及三面刃等若干类型，不同刀具的规格和组成存在差异。例如插铣刀的刀具直径为32 mm，直刀伸长＞200 mm，由强力刀柄、刀体和刀片3 部分组成；而端铣刀的刀具直径有18 mm、24 mm 两种规格，直刀伸长＞180 mm，由强力刀柄、合金接杆、刀体和刀片4部分组成。具体见图2。

图2 闭式导叶轮加工用的主要刀具

选择可用于闭式导叶轮加工的刀具时，应考虑两个关键因素：其一是“R＜ρ”，即刀具半径不超过工件轮廓内侧弯曲的最小曲率半径。如果ρ 值较小，通常是先使用大直径刀具进行粗加工，然后再使用合适刀具进行残留余量的精加工，或者手工打磨，使其满足加工要求。其二是“L/R=5～7”，即刀具长径比在5～7 之间。如果刀具长径比＜5，会导致加工效率不高；相反，刀具长径比＞7 甚至是超过临界值10，在加工中会出现明显的切削振动，加速刀具磨损并且影响工件表面质量。

2 闭式导叶轮数控加工关键工艺分析

2.1 深流道加工技术

深流道加工中所用刀具为特固克TT9030 型刀片，涂层成分为TiAIN（碳氮化钛），可适用于不锈钢、耐热合金等毛坯材料的加工。考虑到刀具的长径比较大，加工期间容易出现变形情况进而影响加工精度，因此必须要采取刀具补偿措施。图3 为刀具加工深流道时的受力示意图，可以看出加工位置为斜率较大的曲面，如果刀具刚性不足，会出现明显的“让刀”情况，导致加工精度不足。目前常用的方法是采取在线监测方式，实时采集深流道加工中的让刀量，然后根据精确测量结果，重新进行数控编程并进行相应的精度补偿。定量补偿曲面的加工余量后，使深流道加工的精度和效率都得到进一步的提升。

图3 深流道加工刀具受力分析

在具体的加工模式上，选择“按切削深度分段加工”模式，具体操作为：首先选用80 mm 的短刀，在流道开放处进行粗加工；当进刀达到流道封闭区域后，将短刀退出，替换成长度为200 mm 的长刀，继续完成剩余流道封闭区域的加工。这样一来，将深流道加工分成了开放区域和封闭区域两段，并且分别选择了不同的刀具，设置了不同的切深、转速等参数，对提高深流道加工效率也有显著效果[2]。

2.2 刀具振动的减缓措施

2.2.1 控制切削深度

闭式导叶轮加工中，切削深度与每齿进刀量、切削体积之间为正相关关系。因此实际加工中，通过适当减小切削深度，可以同步降低每齿进刀量，相应的主轴功率、切削力也会降低，加工期间刀具的振动也会明显减轻。当然，选择不同类型的刀具，以及不同的加工区域，适宜的切削深度也存在差异。例如，选择刀径为32 mm的端铣刀，在流道开放区域进行切削加工时，适宜的切削深度为0.6 mm～0.8 mm。如果取最低切削深度0.6 mm，可以达到理想的刀具减振效果。同样的，选择刀径为24 mm 的端铣刀，在流道封闭区域进行切削加工时，适宜的切削深度为0.3 mm～0.5 mm，取最低切削深度0.3 mm，能够达到刀具减振目的。

2.2.2 恒定线速度

无论加工何种类型的工件，只有使刀片与工件的相对速度（即刀具线速度）保持相对恒定，才能达到最佳切削状态。但是在实际加工中，由于材料密度不均匀，或者加工面的曲率变化等因素的影响，使得刀具与工件接触点的回转直径会不断地变化。结合刀具线速度公式：

式中,d 表示刀尖的回转直径，单位为mm；n 表示主轴转速，单位为r/min。由式（1）可知刀具线速度取决于回转直径和主轴转速。当工件曲率发生变化时，d 值也会相应变化，如果n 值不变，则刀具切削线速度也会发生动态变化，这种情况下就会引起切削不稳定、刀具振动的情况。针对这一问题，可以按照曲面曲率将加工区域划分成若干个子区域，保证回转直径足够小；然后根据每个子区域的曲面曲率特征设定合适的主轴转速，从而保证刀具线速度维持在相对恒定状态。以刀径为24 mm的球头刀加工0～90°变化的曲面为例，将整个加工曲面等分成3 个子区域。其中，在0～30°区域内，刀尖的接触点与刀尖顶点十分接近，此时回转直径较小，根据式（1）可知，此时应将主轴转速调节至高速，从而维持刀具线速度恒定；在30°～60°区域内，回转直径增加，此时将主轴转速设定为中速；在60°～90°区域内，回转直径较大，此时主轴转速设定为低速[3]。

2.2.3 调节每齿进给量

刀具的切削力不平衡是导致刀具振动的一个主要原因。而切削力的平衡性主要取决于进给方向、每齿进给量等因素，切削力（fz）的计算公式为：

式（2）中，Vf表示进给速度，单位为mm/min；Z 表示铣刀齿数；n 表示主轴转速，单位为r/min。在进给方向未改变的情况下，刀具每齿进给量变化，会引起刀具切削受力与主轴功率的变化，进而引起刀具切削力不平衡。针对这一问题，可使用数控机床的控制软件加以解决。例如，使用OMAT 自适应控制系统，收集大量的机床切削参数，以供计算机进行深度学习，从而自动生成刀具进给速度的调控程序。在此基础上，结合实时监测到的主轴功率变化信号，调用程序自动生成最佳的进给速度参数，并将该指令发送至前端，控制刀具按照该参数运行，从而实现高效、稳定切削[4]。

2.3 分段分片侧铣加工技术

现阶段闭式导叶轮的数控加工工艺主要有侧铣、端铣两种。端铣有助于提高叶片曲面的加工精度，但是加工速度相对较慢；侧铣虽然能够获得较高的加工效率，但是无法消除曲面加工误差，完成加工后工件表面粗糙度较差。因此，对于加工要求较高的闭式导叶轮，单独使用端铣或侧铣均难以达到理想的加工效果。本文提出了一种以分段分片侧铣方法，采用“离散直纹面逼近”原理，分三个步骤完成自由曲面的加工：步骤一：选择一组离散的线段，最佳逼近待加工的工件曲面。步骤二：使离散线段插值为直纹面，并确保所有线段均落在直纹面上。步骤三：调整直纹面，使该曲面尽量逼近目标曲面。基于上述原理，运用分段分片侧铣加工方式，提高直纹面的拟合精度，从而兼顾工件表面加工质量和整体加工效率。在分段分片侧铣加工处理下叶片凸面刀位轨迹，见图4。在使用分段分片侧铣加工时，还应关注以下技术要点：第一是侧铣刀位计算误差的控制。由于闭式导叶轮的流道曲面为非可展直纹面，通过拟合多组近似直纹面去逼近流道曲面，必然会产生逼近误差。对于此类情况，需要在侧铣加工中密切关注刀轴与工件之间形成的实际接触线的变化情况，只有保证实际接触线始终与理论接触线重合，才能将逼近误差控制在允许范围内。第二是合理设定分段分片次数。虽然理论上来说，增加分段数、分片数会缩小加工误差，但是会增加刀位轨迹规划的工作量，影响加工效率。因此，需要综合考虑加工精度、加工效率等因素，合理确定分段数、分片数，以保证最佳的加工效果。

图4 叶片凸面分段铣刀刀位轨迹

2.4 闭式导叶轮加工结果

闭式导叶轮的数控加工结束后，还要对成品进行质量检测。检测内容主要包括流道型线检测和表面粗糙度检测。将检测结果与图纸设计要求进行对比，确保加工所得产品与要求一致。

2.4.1 流道型线检测

流道型线检测使用的是温泽HL108 型三坐标检测机，该仪器自带Metrosoft CM 测量软件，可实现对流道型线的自动、精确测量。检测步骤为：收集闭式导叶轮的相关参数，并将参数文件导入Metrosoft CM 软件中，这样就能在软件中同步生成工件的数字三维模型。使用基准球校正高精度测头，利用一个定位面和该定位面上的2 个销孔，构建测量坐标系。从闭式导叶轮模型的叶片曲面上选择需要检测的区域，进行误差检测。检测完毕后，该软件会自动生成一份流道型线检测报告。从报告结果来看，接受检测的闭式导叶轮，流道开放区域型线加工精度为0.02 mm，符合图纸设计中不超过0.05 mm 的要求；流道封闭区域加工精度为0.15 mm，符合图纸设计中不超过0.20 mm 的要求。由此可见，对于闭式导叶轮采用分段分片侧铣数控加工，可以保证导叶轮的叶片型线误差满足要求[5]。

2.4.2 外表粗糙度检测

观察数控铣削加工后的闭式导叶轮产品，可以发现在其表面有刀具切削产生的刀花。虽然并不明显，但是表面粗糙度达不到设计图纸的要求。因此，在完成铣削加工后又增设了一道打磨抛光工序，然后进行表面粗糙度检测。该检测使用TIME300 型表面粗糙度仪，检测精度可达0.01 μm，最大取样长度2.5 mm。在闭式导叶轮的两个叶片表面分别随机选取3 个位置点进行粗糙度检测，结果见表1。

表1 闭式导叶轮叶片表面粗糙度检测结果

结合表1 数据可知，数控加工完成的闭式导叶轮叶片，其粗糙度在1.34 μm～1.82 μm 之间；经过打磨抛光处理后，其表面粗糙度有明显提升，整体维持在0.57 μm～0.92 μm 之间。通过数据对比可以发现，侧铣加工后再配合使用打磨抛光工艺，对进一步优化导叶轮的数控加工质量有积极帮助。

3 结论

多轴联动数控加工技术被广泛应用到工业零部件的制造中。在闭式导叶轮的数控加工中，需要从刀具选型、刀具补偿、刀具减振等方面加强工艺管理，从而提高数控加工质量。同时，根据闭式导叶轮的结构特点，使用分片分段侧铣加工，相比于常规的端铣加工可以获得更高的表面精度，具有推广应用价值。