复杂整体叶轮数控加工关键技术研究

武瑞峰

摘   要：在我国的高速发展的工业过程中，数控加工以其高速、高效、高精度成为制造业不可缺少的重要环节。因此，掌握数控加工的关键技术是提高工业生产的效率和精度的必要途径。在我国，复杂整体叶轮航天航空发动机、大型舰船、汽轮机、压缩机等动力机械的发动机及涡轮增压器中，这种复杂零件的加工精度，直接决定了我国工业生产的效率和大型装备的精度。在复杂整体叶轮数控加工的过程中的关键的技术是复杂整体叶轮加工精度的保障。在下文中，我们将对复杂整体叶轮数控加工进行简单的介绍，并对其中应用的关键技术进行进一步的分析。

关键词：复杂整体叶轮;数控加工;关键技术

中图分类号：TG54      文献标志码：A

0 前言

叶轮作为动力机械的关键部件，广泛应用于航天航空发动机、大型舰船、汽轮机、压缩机等动力机械的发动机及涡轮增压器中。目前，叶轮的加工有以下几种方法：铸造成型后修光、石蜡精密铸造、电火花加工、三坐标仿形铣及五轴联动机床数控铣削加工。而整体叶轮因其结构复杂，叶片的扭曲大，极易发生加工干涉，同时加工精度及表面质量对部件及整个设备的性能起着至关重要的作用，因此，在加工中的关键技术就显得尤为重要。随着精密铸造工艺的发展及新材料的应用，精密铸造与特种加工在结构复杂的小型整体叶轮加工中有着重要的地位。

对于直径较大的叶轮，五轴联动数控数控加工中心及CAM軟件的技术是应用比较普遍的方法。

1 复杂整体叶轮数控加工的介绍

1.1 复杂整体叶轮数控加工的特点

复杂整体叶轮是根据复杂的空间流体动力学理论进行设计得到的，其叶片是均匀分布在轮毂上的，叶片的形状也都与流体流动的规律相符合。数控加工的难度主要源于其结构复杂，叶片薄、扭曲大易变形，加工时容易发生干涉，相邻叶片通道狭窄、刚度较低。加工轨迹的约束条件较多，加工过程容易产生形变，极易产生碰撞干涉，刀具容易折断。因此，复杂整体叶轮数控加工对自动编程软件和机床的后期处理提出了更高的要求。同时，复杂整体叶轮加工的另一个问题是它的叶片由于曲线的曲率半径变化较大，容易产生磨损，叶轮的误差累计问题比较严重。所以合理规划刀具路径也是非常重要的。

1.2 复杂整体叶轮数控加工的基本流程

复杂整体叶轮数控加工的基本流程大致可以分为这样几个阶段：首先是加工模型的建立。通过分析叶轮结构特点，选择合适的造型方法，常用的方法有在CAM软件中建立叶轮的模型和采用逆向工程建立叶轮的模型，再对重构的叶轮模型结构进行有限元分析进行模型优化。第二步是选择合理的加工方法，包括加工坐标系的确定、刀路轨迹的设置、工艺参数的确定，如图1所示是用CAXA制造工程师设置的刀路轨迹。第三步进行仿真加工，验证是否存在干涉现象。最后结合零件的实际应用需求，设备情况进行零件加工工艺分析，综合考虑零件加工的刀路轨迹及工艺参数，通过首件试切来验证刀路设计是否合理，是否满足设计图要求，同时验证工艺过程，包括加工的轨迹及参数验证是否在能够达到质量要求的同时效率最高。通过对整个加工过程进行分析、加工参数进行再调整，设计合理的加工工艺，兼顾效率和质量。

1.3 复杂整体叶轮数控加工关键技术的现状

现阶段从国际市场上来看，在德、美等国出现了专业的叶轮设计加工编程软件，使得整体叶轮的编程更加方便快捷，编程人员只需输入叶轮的设计参数即可。这些软件使整体叶轮的加工更加简单方便，同时使加工成本降低，加工周期缩短。但是开发此种软件需要较高的费用以及较长的时间，目前国内尚没有采用此种软件。我国对于整体叶轮加工通常采用CAM 软件进行建模和编程，通过五轴联动机床进行加工的方式进行。目前国内针对叶轮的加工研究有：针对五轴机床的非线性误差计算法、五轴机床的刀具轨迹计算法等。

2 几种复杂整体叶轮数控加工关键技术

2.1 粗加工刀路轨迹设计

粗加工道路轨迹的主要目的是快速去除多余材料，提高加工效率。因此在刀具的选择上尽可能选择半径大的球头铣刀来加工，粗加工的方法常见的有偏置法和层切法，其中偏置法适用于精毛坯，如铸造和锻造毛坯。层切法主要用于毛坯余量比较大的情况。期间，安全平面的设置、起退刀点的设置、层高都会直接影响加工效率。

2.2 精加工刀路轨迹的设计

刀路轨迹的设计是精加工的重要内容，合理的走刀路线方法可以保证加工精度，避免刀痕误差。其中流道面轨迹设计和叶片的轨迹设计是重要部分。这时合理的刀具倾角及刀具直径的选择是保证质量及兼顾效率的关键点。在具体的加工过程中常用的如等残留高度螺旋轨迹生成法等。

2.3 叶片变形控制技术

从上文的介绍分析当中，我们可以了解到，复杂整体叶轮数控技术的应用过程当中很容易出现叶片的变形情况。一旦这种情况产生，将会对叶轮的质量造成很大的影响。目前应用的方法有：采用加工时叶片的有限元分析和对刀具的切削力分析确定加工中切削参数的方法来减小变形，通过提高和增加夹具和辅助支撑刚度的方法降低叶片变形也取得了一定的成效。也可以通过加工余量分配及工艺参数优化等方法，这些技术的综合应用使复杂整体叶轮出现变形的问题得到了很大程度的改善。

2.4 刀轴矢量改造技术

叶轮加工时，由于叶面扭曲较大，通道狭窄，刀具和叶片之间极易发生干涉现象。使用商用CAM软件规划刀位轨迹时，刀轴矢量往往取决于被加工叶片的曲面性质，相邻刀位点之间的刀轴矢量变化不均匀，使得五坐标数控机床工作台的回转或主轴的摆动突然变快或变慢，引起加工过程中切削力突变，轻则造成被加工零件表面质量降低或啃伤，重则会导致刀具损坏，甚至损伤零件。因此，在进行复杂通道类零件刀位轨迹规划时，需要在非干涉区域内合理规划刀轴矢量控制和匀化刀轴变化幅度，提高加工过程中的机床稳定性，从而提高零件表面加工质量。

结语

叶轮加工的方法有多种，但目前复杂整体叶轮五轴数控加工是我国叶轮加工的主要方法。应用上文提到的粗加工刀路设计、精加工刀路设计、叶片变形控制技术、刀轴矢量改造技术等方法，在提高叶轮加工精度和叶轮的加工效率方面有着积极的作用。

参考文献

[1] 王鹏飞.复杂整体叶轮数控加工关键技术研究[J].科技风，2014（15） ：46.

[2] 康敏，徐家文.径向整体叶轮电解加工方法探讨[J].现代制造工程，2004（8）：73-74.

[3] 于建华，赵鹏，李勋.航空发动机叶片加工变形控制技术研究现状[J].航空制造技术，2016（21）：41-49.