变螺距诱导轮五轴联动数控加工策略

周 奎 司徒渝 李登万

（!西南交通大学，四川成都6l003l；"四川工程职业技术学院，四川德阳6l8000）

螺旋诱导轮是一种结构新颖、性能优良的流体装置，自身具有良好的抗腐蚀和汽蚀性，广泛应用于航空、航天、机械、化工等行业的透平机械中。螺旋诱导轮为轮毂与叶片一起整体加工成型。轮毂为回转体，叶片为雕塑曲面，在叶片与轮毂之间还存在着圆角过渡曲面。图l所示为某化工设备的两叶变螺距诱导轮，材料00Crl 7Nil 4Mo2奥氏体不锈钢，工作转速l2000 r/min，总长 l28.5 mm；轮毂呈锥形，轮缘直径φ85 mm；相邻叶片最小间距22.975 mm，叶片最薄处l.5 mm，最厚处3mm，流道最深处达34.68mm。工件材料切削性能极差，制造精度要求较高，几何结构复杂，易产生干涉、碰撞，加工轨迹规划约束条件多，叶片薄，流道深，易变形。既要提高生产效率，保证叶片表面质量，还要满足其几何形状准确性的要求，需用五轴联动的数控机床才能完成其整体加工成型。其中，良好的切削环境，合理的刀具及切削用量，流道及叶片加工策略，刀具路径规划是我们必须解决的技术关键。

1 变螺距诱导轮数控加工工艺流程规划

根据两叶变螺距螺旋诱导轮的材料特性、几何结构特征、使用要求和车间设备状况，单件小批量生产的工艺流程如表l所示。其中，轮毂及螺纹孔在CK6l32数控车床中两次装夹，分层多次走刀便能完成其数控加工，毛坯车削后形状如图2所示。UCP600五轴联动加工中心完成流道、叶片及过渡面的粗加工、半精加工及精加工。

2 材料的影响及加工策略

两叶变螺距螺旋诱导轮材料化学成分和力学性能如表2、3所示，大量的Cr和Ni使钢在常温下呈奥氏体状态，不但有极高的抗腐蚀和点蚀能力，而且其塑性和韧性也较高。切削过程中塑性变形大（伸长率超过40%），强化系数很大，变形时，晶体间剪切滑移，晶格严重扭曲、拉长、纤维化以及破碎；加工硬化严重（硬化层的强度 σb达l 470～l 960 MPa，而且随 σb的提高，屈服极限σs升高，硬化层的深度达切削深度的l/3或更大，硬度比原来的提高l.4～2.2倍）；切削抗力大；切削产生的热量多，导热系数小，散热环境差，致使切削温度高；切削时，带状切屑连绵不断，卷屑、断屑困难；积屑瘤现象严重；刀具易磨损；线膨胀系数大，容易产生热变形，尺寸精度较难控制。切削性能仅为同等条件下45钢的40%左右［l］。

表1 变螺距诱导轮单件小批量生产工艺过程

表200Cr17Ni14M o2不锈钢的化学成分［1］

表300Cr17Ni14M o2不锈钢的力学性能［1］

表4 刀具及切削用量

根据00Crl7Nil4Mo2奥氏体不锈钢的切削性能，以及叶片薄、易变形的结构特点，变螺距诱导轮流道、叶片及过渡面的数控加工选择在Mikron UCP600五轴高速加工中心上进行。该机床配Heidenhain_iTNC530系统，摇篮式工作台，主轴最高转速可达42000 r/min。刀具选择CoroMill Plura直柄整体硬质合金刀具，HSK热装刀柄，油雾润滑。采用高转速，大进给，小吃深的高速铣削的方式加工，并设定合理的切削步距和行距，以保证诱导轮流道、叶片及过渡面的表面质量，这种方案使得切削力小，切削轻快，叶片变形小，大大减轻了加工硬化现象，从而提高了生产效率。刀具参数及切削用量如表4所示。

3 流道、叶片及过渡面数控加工策略

3.1 流道粗加工策略

流道粗加工策略决定了诱导轮加工的效率，五轴定向多工位型腔铣，方法简单、快捷、高效，是我们常采用的策略，通过在诱导轮流道设定合理的刀轴矢量，利用机床旋转轴的定向功能实现多轴定向多工位型腔铣。工位的安排应充分考虑最大限度地去除余量，保证余量均匀以及排屑等问题［2］。如图3所示，两叶诱导轮流道粗加工策略采用五轴定向3工位型腔铣的方式，刀轴矢量垂直于轮毂轴线并均匀分布，刀具参数及切削用量如表4中Tl刀具所示。

3.2 叶片加工策略

根据诱导轮叶片面的几何特征，叶片面的粗、精加工均采用可变轴曲面铣的方式进行，定义叶片面为切削区域，同时，选择叶片面为驱动面，流道面、其他相邻叶片面和轮毂面作为干涉检查面，单向“Zig”形驱动，刀轴矢量相对于驱动面（Relative to Drive）控制。如图4所示，两叶诱导轮叶片面精加工时，叶片面既为切削区域又被选做为驱动面，单向“Zig”形驱动，用“Tolerance（公差）”控制切削步距，用“Scallop（残余高度）”控制切削行距以保证诱导轮叶片面的表面质量；刀轴矢量相对于驱动面，前倾角（Lead Angle）为2°，倾斜角（Tilt Angle）取85°，刀具选用φ6 mm整体硬质合金立铣刀，具体切削参数如表4所示。

3.3 流道精加工策略

流道精加工采用可变轴曲面铣的方式进行，选取流道面为驱动面，叶片面为干涉检查面，用刀轴插补（Interpolated Tool Axis）的方式控制刀轴的变化。诱导轮叶片扭曲且包角较大，刀具要在流道内合理摆动，使刀具尽可能地接近两侧的叶片面而又不过切轮毂，采用通常的刀轴驱动方法难以实现。刀轴插补功能通过在指定点定义矢量去控制指定点的刀轴。我们在叶片面与轮毂的交线上定义一系列的矢量以控制刀轴，轮毂面上其余刀具位置点的刀轴矢量由U、V双向线性插值或样条插值获得。这样，刀轴能按照加工的需要而得到很好的控制，在不过切的情况下，最大限度地减小叶片面与轮毂之间的残留区。边界矢量的定义是一个十分细致的工作，基本原则是：避免刀轴的突变，保证刀轴平滑变化［2］。

3.4 过渡曲面清根策略

过渡曲面的清根是诱导轮数控加工的最后一步，选择过渡曲面为驱动面，流道面、相邻叶片面和轮毂面作为干涉检查面，采用的相对于驱动面方式控制刀轴，并注意合理选取前倾角、倾斜角及进、退刀方式，以便能有效避免过切和干涉碰撞。

4 结语

实践表明，00Crl7Nil4Mo2奥氏体不锈钢变螺距诱导轮，通过合理地规划流道，叶片及过渡曲面的加工策略，能有效解决干涉碰撞问题；采用整体硬质合金刀具，高转速，大进给，小吃深高速铣削加工，切削轻快，变形量小，能有效避免积屑瘤的形成，减小加工硬化现象，减小刀具的磨损，从而大大提高刀具使用寿命和生产效率。

l 元唐不锈钢网.不锈钢的切削加工［M］，www.ytbxw.com/Logistics/63l0.html.

2 司徒渝.叶轮五轴联动数控加工关键技术研究及在DMU l00T机床中的实现［J］.制造技术与机床，2008（9）：l2l ～l24