前半开式叶轮五轴加工

广州市轻工技师学院 (广东 510220)梁桂全

叶轮是水泵、汽轮机、水轮机、推进器等装置的关键部件，叶轮型面由复杂的三维自由曲面组成，几何精度要求高，技术难度大。前半开式叶轮是较常用的叶轮形式，如图1所示，主要用于输送含有固体颗粒、纤维等悬浮物的液体，具有一定密封作用，在炼油化工离心泵中广泛应用。

传统的叶轮加工方法是叶片与轮毂采用不同的毛坯，分别加工成形后将叶片焊接在轮毂上。在焊接处容易损坏，并且由于焊接产生热应力，造成变形，容易产生虚焊，焊接收缩量难以精确控制，导致前期机加工成形的叶轮流道出现几何尺寸变化，造成流道精度误差，影响整机机械特性和使用寿命。这样不但消耗工时，效率低，还会影响产品质量。为了解决焊接式叶轮加工制造过程中出现的问题，采用五轴数控机床一次加工完成轮毂和叶片，可以减少装夹次数，保证定位精度;同时，更能提高叶轮表面粗糙度，使用高速铣削能有效地降低切削力和切削区域温度，从而减少叶片的热变形。该方法解决了传统叶轮加工方法的不足，一方面可以提高加工效率;另一方面可以提高加工质量和精度，并且增加叶片的强度和刚度，整个力学性能都有所提升。

图1 前半开式叶轮

1.前半开式叶轮加工工艺分析

前半开式叶轮加工时，在叶片之间有大量的材料需要去除。为了使叶轮满足使用要求，叶片常采用大扭角、根部变圆角的结构，这给叶轮的加工提出了更高的要求。根据本例具体加工难点如下:

(1)加工槽道变窄，叶片相对较长，刚度较低，属于薄壁类零件，加工过程极易变形。

(2)槽道最窄处叶片深度超过刀具直径的3 倍以上，相邻叶片空间极小，在清角加工时刀具直径较小，刀具容易折断，切削深度的控制也是加工的关键之一。

(3)本例的整体叶轮曲面为自由曲面，流道窄，叶片扭曲比较严重，并且有明显的后仰趋势，加工时极易产生干涉碰撞，加工难度较大。因此，保证加工表面的一致性也有困难。

2.整体叶轮加工工艺过程

(1)叶轮常用材料。毛坯采用牌号为LF5 的铝棒，因为叶轮是离心泵的关键部件之一，它对材料的要求是在保证零件有足够的强度时尽量减轻零件的重量。为了提高工件的表面粗糙度，先用数控车床车削成为叶轮回转体的基本形状，减少五轴的加工难度和时间。

(2)装夹。采用心轴装夹定位，在毛坯上加工出键槽进行辅助定位，并制作适应心轴定位装夹。

(3)找正。利用百分表找正工件，求出工件坐标系。将百分表的安装杆装在刀柄上，移动工作台使主轴中心线大约移到工件中心，使百分表的触头接触工件的圆周面，用手转动主轴，观察百分表指针的偏移情况，移动工作台的X 轴和Y 轴，多次反复后，待转动主轴时百分表的指针基本在同一位置，这时可认为主轴的中心就是X 轴和Y 轴的原点。

(4)叶轮粗加工刀路轨迹。叶轮的粗加工是用赛车线加工方式，采用3 +2 定位五轴加工，尽量减少联动轴数，提高加工的稳定性。采用三维区域清除策略，粗加工留余量0.5mm，下切为1mm，主轴转速3 000r/min，进给速度为500mm/min。粗加工刀具路径如图2 所示。

图2 粗加工刀具路径

赛车线加工方式是把刀具路径看成赛车在跑道内高速行驶，赛车可以偏离跑道的中心，从而产生类似于赛车在跑道内的运动路径，可以在不改变速度的情况下来转弯。这种加工方法增加了刀路运动的光滑性、平衡性，避免刀路突然转向以及频繁的切入切出所造成的冲击，尽可能地保持刀具负荷的稳定，减少任何切削方向的突然变化，解决了加工过程极易变形的难题。

(5)叶轮半精加工刀路轨迹。粗加工时，加工残留的余量不均匀，特别是叶片的圆弧过渡面，叶根部圆柱面产生的刀具路径效果不好，需要采用多刀清根的方式进行。由于叶片很薄，在半精加工时尽量采用逐层切削的方式，先加工叶尖位置，保证加工时叶片还有足够的强度，然后再对叶片进行加工，避免了刀具容易折断的现象。加工参数为:半精加工留余量0.2mm，下切为3mm，主轴转速5 000r/min，进给速度为500mm/min。

(6)叶轮精加工刀路轨迹。叶片的精加工采用SWARF 加工方式，因为叶片是由直纹面构成，加工刀路可以顺滑连接，在产生精加工刀路轨迹过程中，刀具有可能和叶轮的叶片发生碰撞和过切。利用五轴自动避让功能，加工残留清根和深腔加工，软件自动判断碰撞区域，并自动调整刀轴矢量，软件系统根据全部刀具路径或选定的部分刀具路径进行碰撞干涉检查。自动截掉发生碰撞的刀具路径与指令，并给出不发生碰撞的最短夹刀长度，指导操作者最优化备刀准备，具有非常实用的意义。高的运转速度使操作者在加工中发现任何问题都无法停机，因而加工前一定要检查刀具加工路径及仿真检查进行结果校验。把所有可能会出现的意外情况杜绝在上机加工之前，以保证人员和设备的安全。精加工刀具路径如图3 所示。

图3 叶片精加工

(7)五轴机床对叶轮加工及后处理。在五轴机床加工之前，利用PowerMILL 提供五轴联动的实体切削仿真功能，动态仿真五轴加工过程机床各轴各机构运动关系，自动检查工件、刀具、夹具与机床设备间是否干涉、是否超程并自动报警，解决了干涉碰撞的难点。然后利用软件进行后置处理，将CAM 软件生成的刀位轨迹转化为适合数控系统加工的NC 程序，通过读取刀位文件，根据机床运动结构及控制指令格式，进行坐标运动变换和指令格式转换。全部刀具路径准备好以后，传输到五轴机床上加工，加工结束后，工件如图4 所示。

图4 实体工件

3.结语

通过叶轮加工可见，在五轴加工中心仅需经过一次装夹即可完成复杂形状零件的加工。同时五轴机床具有OMV 在机检测系统，监测被加工零件的质量，发现加工中出现的任何误差，能尽快地将其修正，避免了叶轮传统加工方法出现的加工缺陷，提高加工精度，降低加工难度，显著缩短产品加工周期及加工成本，为众多的叶轮加工解决方案起了抛砖引玉的作用。