不锈钢三元叶轮加工效率提升的影响因素分析

魏国家 裴立群 毕海波 孙 雨

(沈阳鼓风机集团股份有限公司)

不锈钢三元叶轮加工效率提升的影响因素分析

魏国家 裴立群 毕海波 孙 雨

(沈阳鼓风机集团股份有限公司)

三元叶轮是压缩机转子部件最难加工的零件，而加工效率问题一直是三元叶轮制造过程中的难题。本文从几个方面着重分析了影响制约三元叶轮加工效率的关键因素，指出了提高叶轮加工效率应从多方面入手综合考虑各个因素，为今后解决叶轮加工效率问题提供了可行的参考依据。

三元叶轮；加工效率；影响因素

0 引言

随着压缩机在国民经济各个行业的广泛应用，压缩机中三元叶轮的数量也不断增多，见图1。由此带来了一个新的课题，如何提高不锈钢三元叶轮的加工效率和降低刀具成本，这个问题已摆在了专业技术人员面前，亟待解决。

不锈钢三元叶轮的加工效率受到许多因素影响，要综合考虑加工效率、机床动力、加工成本三个方面，此三方面因素达到一种平衡才是最优，偏向任何一方都容易造成另外两种最佳功能的丧失。根据这个原则和笔者多年的加工经验，列出以下几个重要的影响因素，以供大家讨论参考。

1 数控加工方法的影响

首先，数控加工方法是重要的因素之一。三元叶轮材料为马氏体沉淀硬化不锈钢，最初使用高速钢刀、采用大切深、小进给五轴联动的加工方式。但这种方法存在吃刀量大、进给速度慢以及对机床主轴伤害大的缺点。以直径20mm高速钢为例，加工三元叶轮时进给速度一般在20～30mm/min，切深为10～15mm。

经过不断试验，探索找出与叶轮材料匹配的刀具最优切削参数，使进给速度最大化，实现五轴高速铣加工方式，叶轮的加工效率有一定提升。五轴高速铣在数控编程方法上有质的变化。以直径20mm高速铣刀为例，以进给速度1 000～1 200mm/min加工三元叶轮，切深0.3～0.5mm，但在生产实际应用中，五轴高速铣也没有全面摆脱切削径向力较大的弊端。

图1 压缩机的三元叶轮图Fig.1 Three-dimensional impeller of compressor

为了消除由于径向力较大而引起的机床主轴孔磨损过快的问题，在数控加工方法和刀具上又进行了深入的改进。由五轴联动发展为两个旋转轴锁定、三个直线轴联动的“3+2轴高速铣”编程工艺方法[1-2]，同时使用快进给铣刀，采用小切深切削方式，从而大大地减少了径向力以及扭矩，使切削更轻快，机床振动降低，主轴孔磨损减轻，加工效率大幅提高，刀具消耗明显减少。随着3+2轴高速铣方法的成熟应用，如图2所示，机床主轴受力由径向力变为轴向受力，从而使机床主轴损耗降低，加工效率明显的提升。直径20mm的高速铣刀具铣制三元叶轮时进给速度可以达到2000～2500mm/min，切深0.4～0.6mm。

为了进一步提高效率，必须在粗加工中提高单位时间金属去除量，钻、插铣的工艺方法进入到三元叶轮粗加工改善的行列中。钻、插铣的基础是高速铣，只有在高速铣的基础上，钻、插铣才得以发挥，否则会事倍功半。钻、插铣的技术关键是钻铣的排刀方式、如何避免半孔钻削受力不平衡的情况出现，以及避免发生插铣顶刀，这两项关键技术。在钻铣的基础上再进行插铣加工，在钻、插铣过程中，机床主轴是轴向受力，非常适应机床功率、扭矩的充分发挥。钻、插铣的单位时间金属去除量远远大于高速铣的加工，从而提高整个叶轮的加工效率。

图2 3+2轴高速铣图Fig.2 3+2 axises high speed milling

2 加工刀具的影响

其次，三元叶轮铣削加工效率除了与数控工艺方法有很大关系外，还与刀具关系密切[3]。刀具的类型、形状、减振性，刀片的材质、涂层等因素对加工效率的提高密不可分。举例说明，使用镶多边形刀片的刀具切削力明显小于镶圆刀片的刀具；使用减振刀杆刀具比使用非减振刀杆刀具的振动显著减少。随着国内外刀具厂商的不断研究，刀具在品种、切削性能、耐磨度几方面持续改善，势必对三元叶轮的加工效率提高有极大的促进。

3 材料处理工艺的影响

再次，三元叶轮的加工效率与叶轮本身的材质和热处理工艺联系密切。叶轮的材质与热处理后的材料状态对叶轮加工的影响十分显著。叶轮的材质直接关系到热处理后的材料硬度、切削性能对刀具的消耗、加工的时间长短。在实际加工生产中，奥氏体不锈钢切削效果要好于马氏体不锈钢的，不论是奥氏体还是马氏体不锈钢，硬度每减少10HB，经验进给速度值提升5%～10%。

4 叶轮设计结构的影响

最后，叶轮的加工效率与叶轮叶片的数量，叶片的扭曲程度密不可分。相对于国外厂家设计的叶轮，国内厂家设计的叶轮叶片数量多，叶片的扭曲程度大，这给叶轮加工增添了困难，加工时间明显增加。因此，设计叶轮时，叶轮结构的可加工性是每一名设计研发者必须要考虑的问题。在与国外企业合作中发现，同样机组，国外厂家的机组所用叶轮为13～15个叶片，而我们国内机组所用叶轮达到19～21个叶片，而且叶片还特别扭曲，显然这给加工增添了很大难度。

5 其他因素的影响

除了上述四点重要影响因素外，还有其他的影响因素。例如机床的功率和主轴扭矩是否发挥到最佳状态，以瑞士斯德拉格公司生产的STC1250型号五轴加工中心为例，它的输出功率为37kW，在加工三元叶轮时，加工过程中机床的使用功率在输出功率的20%～30%波动是发挥机床效能最好的范围。

还有机床与刀具共振现象的降低等问题，也成为专业技术人员越来越热衷研究的课题。现在国内外有很多厂家推出了此类软件用于机床的自适应系统，国内很多高校对此类问题的研究也乐此不疲。

无论有多少影响因素，归根结底，就是要求机床、刀具、数控工艺方法和谐统一，顾此失彼将事倍功半，所以说三元叶轮的加工没有绝对的最好方案，只有相对的最佳方案。

随着编程软件、五轴机床、专用刀具的不断发展，三元叶轮加工效率提升的办法也越来越丰富，加工效率不断被推动提升。

目前，整体铣制机械加工三元叶轮（如图3所示）的方法已经不能满足叶轮的设计要求，电火花特种加工（如图4所示）、3D打印的方法在三元叶轮制造中孕育而生，尤其是特种加工方法已经应用于三元叶轮加工，那么特种加工三元叶轮的加工效率也逐渐进入了专业技术人员的视野，由此看来，三元叶轮加工效率的提升还要继续不断的走下去，任重而道远。

图3 整体铣制加工三元叶轮图Fig.3 Integral milled closed impeller

图4 电火花特种加工三元叶轮图Fig.4 EDM three-dimensional impeller

6 结论

叶轮的加工效率受多方面因素共同影响。若想使叶轮加工效率显著提升，需要从叶轮结构优化设计、材料热处理、数控工艺方法、刀具开发和特种加工技术研究等几个方面综合考虑。

[1]裴立群,魏国家,毕海波.直线轴联动铣制三元叶轮方法研究[J].风机技术,2013（2）:49-51.

[2]魏国家,裴立群,雍建华，等.开式三元叶轮高效数控粗加工策略研究[J].风机技术,2012（1）:48-51.

[3]董雷,魏国家,惠洪杰,等.基于小波包分析的铣刀状态监测方法研究[J].风机技术,2011（5）：37-41.

Efficiency Analysis of the Machining of a Stainless Steel 3D Impeller

Guo-jia WeiLi-Qun PeiHai-bo BiYu Sun
(Shenyang Blower Works Group Corporation)

The 3D impeller is the most difficult component of the compressor for the machining，and the efficiency of the machining is the critical problem in the manufacturing process.This paper reveals several important influencing factors with respect to the machining efficiency,which should be considered comprehensively to improve it.

impeller;machining efficiency;influence factors

TH16；TK05

：1006-8155-(2017)01-0079-03

ADOI：10.16492/j.fjjs.2017.01.0011

2016-08-21 辽宁 沈阳 110869