整体分流叶轮五轴加工的工艺设计

刁文海

（广州市机电技师学院，广东广州510000）

整体分流叶轮五轴加工的工艺设计

刁文海

（广州市机电技师学院，广东广州510000）

整体分流叶轮广泛地应用于航天航空等领域，是压缩机和推进器的重要零件。针对叶轮的应用及加工现状，从设计结构到生产加工实现过程进行了技术难点总结。通过引进先进数控技术，采用五轴联动设备加工整体分流叶轮，避免了使用传统加工方法存在的加工质量难控制、生产效率低等问题。以“校企合作”的办学模式为平台，引进企业产品，实践过程中消除了表面光洁度要求高、常规工艺生产效率低的加工难点，实现了整体分流叶轮的高效率、高精度加工。

整体分流叶轮；切削参数；加工效率；加工策略优化

整体叶轮作为发动机的关键部件，气体经进气管进入工作轮，在工作轮中因受到叶片的作用力而压力升高，速度增加。因此，对叶轮的要求有以下2点：①气体流过叶轮的损失要小，即气体流经叶轮的效率要高；②叶轮型式能使整机性能曲线的稳定工况区、高效区范围较大。其加工成为了提高发动机性能的一个关键环节，但由于整体叶轮结构具有的复杂性，数控加工技术一直是制造行业的难点。所以，复杂曲面的五轴加工技术一直是数控加工领域研究的热点。

1 工艺方案分析

整体分流叶轮作为机械的关键零件，经常应用于高速旋转的场合，对制造的技术要求及水平非常高，制造质量对叶轮的性能有着重要影响。为了获得理性的动力学特性，整体叶轮叶片大都采用大扭角，根部圆角等结构，这种结构对铣削加工非常困难。

1.1 零件图纸及结构分析

零件的毛坯材料为铝合金6061，是经热处理预拉伸工艺生产的高品质铝合金，其强度虽不能与2XXX系或7XXX系相比，但其镁、硅合金特性多，具有优良的焊接特点及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、材料致密无缺陷及易于抛光等优良特点。由于需要加工数量为100件，属于小批量生产加工，而且零件的尺寸不大，因此，选用锻压铝料，经普通数控车床加工成叶轮回转体的基本形状。零件需要加工的部位是整体分流叶轮叶片，其曲面加工质量要求较高，主要定位基准面为底部，所以，可以根据其底部特征设计装夹方式。

整体分流叶轮主要由叶片与轮毂两部分组成，其中，叶片与轮毂交界处称为叶根，由于叶轮的气动性能的需要，常将此处加工为变圆角过渡。

1.2 叶轮加工难点分析

整体分流叶轮加工槽道变窄，而叶片相对较长，刚性相对较低，刀具刚性较差，属典型的薄壁类零件，加工过程中易发生变形；叶片距小，特别是最小处深度较大，此时，使用小刀加工的刚性差，易折断；叶轮曲面为自由曲面，流道窄，叶片扭曲严重，加工时极易发生干涉；叶片厚度较小，最小厚度为1 mm，在加工过程中容易引起振动，影响表面加工质量。

1.3 叶轮加工技术要求

整体分流叶轮的技术要求内容与常规零件相同，包括形状、尺寸、位置、粗糙度等。为了获得良好的气动性能，叶轮叶片表面必须具有良好的光顺性，精度要求集中于叶片，轮毂的表面与叶根处，表面粗糙度值要求小于Ra0.8 μm。

1.4 工艺制定及工序安排

1.4.1 叶轮粗加工

快速去除零件大部分多余材料，在保证整体叶轮制造质量的前提下，效率是非常重要的指标。

1.4.2 叶片半精加工

实际加工测量表明，叶轮在粗加工后，往往由于粗加工过程中材料内部应力释放，造成应力变形，影响叶轮的外形尺寸，因此，为了严格保证叶轮尺寸精度及预留均匀的精加工余量，则必须在粗精加工之间安排半精加工。

1.4.3 轮毂面粗加工

轮毂面粗加工与叶片半精加工相同，都是为了严格保证叶轮尺寸精度及预留均匀的精加工余量，特别是叶片底部的R角部分余量。

1.4.4 轮毂面精加工

轮毂面精加工采用往复切削的方式，使加工沿叶轮流道方向双向往复加工，在切削过程中顺铣逆铣交叉进行，加工效率较高。

1.4.5 叶片精加工

由于精铣加工存在不稳定切削状态，应在某些工序合理选择切削参数，选择合适的精加工刀具，特别当具有小批量生产时，要求加工的刀具切削性能稳定。

2 叶轮加工夹具设计

2.1 设计步骤

夹具设计紧紧围绕叶轮下部的M10螺纹以及直径Φ133.56 mm外圆进行。零件图纸中有一个厚度尺寸为3±0.02 mm，基准是直径Φ133.56 mm的端面，所以，夹具设计使用直径Φ133.56 mm的端面作定位，同时，限制Z轴方向上的自由度。为了提高叶轮的定位精度，保证3±0.02 mm的厚度尺寸，设计的夹具中避开了大面定位，采用3块小面定位。为了保证参与定位的3个基准面与工作台的平行度，这3个基准面需要在机床上加工。叶轮的夹紧主要依靠2个部分，即叶轮下面的M10螺纹、直径为Φ133.56的外圆。上述3个基准面解决了叶轮Z轴方向上的定位和限位。为了使叶轮能够稳定加工，还要限制叶轮在X轴和Y轴上的移动自由度。在夹具上设计了一个直径为Φ133.58的圆形沉头，深度为2 mm，因为M10的螺纹只有在Z轴方向上有锁紧功能，没有定位功能，更不能提供X轴和Y轴方向上的夹紧，所以，在夹具设计时设计了加紧机构，通过这个简单的机构可以实现直径Φ133.56外圆的加紧。

2.2 夹具加工及安装

根据上述夹具设计内容、尺寸要求，先在数控车床上完成夹具体的车削加工，再到五轴加工中心进行铣部分加工。

3 加工刀具路径编制

3.1 软件选用

针对复杂型面零件的数控加工，由于数据烦琐，一般采用通用CAM自动编程软件，利用软件提供的各种加工策略来进行编程。本案例中采用由英国Delcam公司开发的Delcam PowerMill 2012进行自动编程。PowerMill功能齐备，加工策略极其丰富，适用广泛的工业领域，独有的最新5轴加工策略等，加上其计算速度极快，为使用者提供了极大的灵活性，先进的加工切削实体仿真，可降低上机床实际试切的加工成本。

3.2 刀柄选用

为了提高加工效率，应尽量选用大的球头刀来进行叶片的粗加工。由于该分流叶轮叶片曲面均为自由曲面，曲率变化大，叶轮流道狭窄，极易发生加工刀具与叶片碰撞干涉的问题，因此，刀具必须伸出足够的长度；一旦刀具悬伸过长，则会导致刀具刚性不足。因此，该案例中拟采用SK夹持刀具对叶轮叶片及轮毂进行精加工，经过加工验证，应优化刀柄的选择，具体如图1所示。

4 仿真验证与首件加工

经过VERICUT仿真软件验证的NC程序可以在设备上进行切削加工，按照前期工艺分析、编程及VERICUT仿真软件确定的夹具、刀具、刀柄按照要求安装到机床上，建立工件坐标系即可加工，叶轮加工效果图如图2所示。

图1 SK刀柄

图2 叶轮加工效果图

5 优化加工工艺

5.1 刀柄的选择

随着数控加工设备和数控技术的快速发展，为了适应各种主轴接口和各种应用场合，刀柄的类型变得多种多样，根据叶轮首件打样的情况具体分析、工艺优化后，再选择热缩刀柄装夹刀具对叶轮加工。

5.2 刀具的选择

刀具材料的选择需要根据不同的工件材料来确定加工刀具的材料，是否需要使用带涂层的刀具等。在叶轮加工中，从叶轮的结构特征看，所有的叶片都是连接在一体的。为了保证各个叶片加工的一致性和质量的稳定性，选择的刀具必须要有较高的耐磨性。加工叶轮的材料是铝，所以，选择硬质合金刀具，不使用涂层刀具是因为其比较钝，不锋利，易引起叶片受力变形。

5.3 刀路优化

我们可以通过以下方法提高叶轮的加工效率：①选择不同直径的刀具分层开粗；②精加工时靠近叶片外侧的面可以使用大直径的球刀精加工，加工到子叶片与主叶片之间距离较短的区域时，更换半径较小的刀具继续向叶片根部精加工，大的刀具切削行距、步距相对小直径刀大很多，所以，加工效率会提高。

6 结论

综上所述，叶轮的五轴数控加工中心加工是当前数控加工领域的一个重要研究方向，是现代先进制造技术研究中不可或缺的重要内容，代表着机械制造行业的发展方向和趋势。

本设计主要以整体分流叶轮多轴加工的工艺设计为研究对象，以提高整体叶轮加工效率，保证整体叶轮加工精度为研究目的，对叶轮的数控加工工艺解决方法进行了深入研究，并对整体叶轮加工工艺的多个因素进行了分析和介绍，选定了加工方案，最后保质保量、高效率地完成了整体分流叶轮生产加工。以上的整体分流叶轮加工工艺的优化结果已运用于实际生产，希望得到各位同行的意见与建议。

［1］戚家亮，安鲁陵，修春松.整体叶轮五轴数控插铣加工刀位轨迹生成算法研究［J］.机械设计与制造，2011（11）.

［2］郑才国，郑菲，唐克岩，等.整体叶轮数控加工工艺的研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2015（11）.

〔编辑：张思楠〕

TG659

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.113

2095－6835（2017）19－0113－03