超薄整体风力叶轮高效加工技术研究

2013-10-15褚守云

制造业自动化 2013年15期

褚守云

（常州轻工职业技术学院机械工程系，常州 213164）

0 引言

整体叶轮常见结构有开式、半开式和闭式等，其加工技术是一直机械制造领域重要的研究对象，目前整体叶轮的主流加工工艺为借助CAD/CAM技术，利用五轴联动机床实现叶轮的高速切削加工[1,2]。

常用CAD/CAM软件如Pow erm ill、UG、Mastercam软件对叶轮这种特别的零件都有定制的专用模块，用户只要根据要求选择相关的曲面、走刀方式、切削参数，软件就可以自动完成零件的刀路设计，这种模块实际上是针对某一类具有共同特征零件开发的智能专家加工系统。但受五轴加工设备的限制，该技术存在一些难以突破的问题，主要表现为生产成本高、加工效率低、叶轮的尺寸规格受到限制，叶片的切削系统刚性差，加工过程中易产生振动，特别是开式叶轮，其叶片的厚度以及宽度受到严格的控制。

图1 风力叶轮

1 超薄整体风力叶轮的结构分析

图1是某单位要求实现高效低成本加工的风力叶轮，材料为固溶处理的硬铝合金，从结构看，该叶轮也属于开放式整体叶轮，但又不同于常见叶轮，其五片均匀分布的叶片是几乎垂直于轮毂的轴向，叶片的形状为按一定规律变化的扭曲状曲面，叶片既宽又长，为减小不平衡量，叶片被设计成超薄结构，叶片的中间最厚部分为1.5mm，两边最薄部分只有0.3mm，刚性极差，在加工过程中极易变形和振动。

2 超薄整体风力叶轮的加工难点分析

解决超薄整体风力叶轮高效低成本加的关键是提高工件的刚性以及加工设备的选择。

由于叶片的刚性极差，提高工件的刚性必须从设备、刀具、夹具、工件等方面入手综合考虑，合理制订出加工工艺，提高叶片的系统刚性，常见的增加叶片刚性的方式是在叶片的外轮廓添加工艺环如图2所示，待整个叶轮加工完毕再去除工艺环，但由于叶片边缘太薄，实际加工时刀具还是要破坏叶片轮廓，也有考虑在加工过程中适时增加填充物[3]，以增加叶片的刚性，但这种方法耗时长，不能满足正常生产要求。

关于设备选择，五轴加工中心是常规的选择，但其生产成本高，且能加工的零件规格限制比较大，无法满足要求，再加上目前企业还没有购买这样的设备，三轴加工中心成为主要的选择。

图2 增加工艺环的叶轮

图3 正面辅助曲面和干涉面的设计

3 超薄整体风力叶轮的刀路设计

基于以上分析，必须寻找一种方法，利用三轴立式加工中心，既能提高提高叶片的刚性，又能满足生产要求的高效低成本工艺，经反复试验，我们根据叶片的整体结构，将叶片剖分成上、下两个加工面，即正面和反面，然后在适当的位置添加一些辅助曲面和干涉面，利用Mastercam软件设计一种刀路，这种刀路保证叶轮在粗加工是所有叶片都还是一个整体，只有在最后一面精加工时，保证刀具走到哪儿，叶片分离到哪儿，而且要求叶片分离的方向是由外向里移动，这样就保证叶片在加工过程中未精加工部分始终是一个整体，使叶轮保持足够的刚性，满足加工要求。如图3所示为所设计的叶轮正面辅助曲面和干涉面，为提高叶轮的加工效率，叶片的粗加工刀路设计为插铣加工，精加工刀路设计为平行铣削如图4所示，叶轮正反面的实体加工模拟仿真结果如图5和图6所示。

图4 叶轮的平行铣削刀路

图5 叶轮正面的模拟加工

图6 叶轮反面的模拟加工

4 整体叶轮的切削振动控制

为保证工艺方案的可靠性，选择大连机床厂生产的VDF850立式加工中心进行切削试验，配置国产华中数控系统。精铣刀具为8mm涂层硬质合金球刀，由于叶片超薄，在实际切削过程中还是出现了切削振动，工件表面出现振痕如图7所示，严重影响叶片的加工质量。

由于产生切削振动的因素很复杂[4,5]，在加工设备及数控操作系统选定的条件下，铣削加工产生振动的主要因素是刀具和铣削参数。为了消除振动，一般采用降低铣削参数的方法，这使得机床、刀具的性能得不到充分的发挥，降低了生产效率。为此必须对产生加工振动的因素进行分析、优化。根据机床最高转速和刀具精加工的切削参数设计若干组切削速度、进给速度和背吃刀量进行切削试验，利用振动采集机床的振动信号，利用交流功率传感器采集机床主轴的瞬时功率，然后计算出加工时实际扭矩：M=9549P/S。

式中: M 为扭矩，单位(N·m)；P 为主轴功率．单位(kW)，S 为主轴转速，单位(r/m in)。

通过比较实际扭矩M与k M额的大小，（其中：k为机床的切削负载系数，M额为机床的额定扭矩）调整切削参数，采用0.618迭代法确定最优的切削参数如下：切削速度n=5500rpm，进给速度f=4000mm/m in背吃刀量ap=0.12mm，优化后的叶片表面质量如图8所示。

除了切削参数，数控系统的好坏也是影响切削振动的关键因素。数控系统不光要具备很高的数据运算、存储及传输的能力，以处理大量的插补和控制数据，更要具备强大的前瞻功能，以保持最佳的进给速度和加速度的稳定性，保证刀具在切削过程中状态平稳，减少震颤[6,7]。车间现有同类型加工中心的数控系统有华中、FANUC和SIMENS，试验证明，采用优化过的铣削参数在不同的数控系统上加工，表面质量具有明显的差异，相比其他系统，SIMENS系统略胜一筹，图9所示为配作SIMENS系统的加工中心加工的叶片，其表面光滑，满足技术要求，叶轮最终加工的产品状态如图10所示。