整体叶轮的数控加工工艺研究与实施

高睿杰， 高崇， 顾涛

（苏州工业职业技术学院，江苏 苏州 215104）

整体叶轮的数控加工工艺研究与实施

高睿杰， 高崇， 顾涛

（苏州工业职业技术学院，江苏 苏州 215104）

根据整体叶轮的零件图样，文中分析了叶轮结构，确定叶轮的加工内容和加工要求。设计了叶轮加工工艺路线，选用合适的毛坯、刀具和夹具，编制了叶轮的五轴铣削程序，完成了叶轮加工，阐述了叶轮类零件的一般加工过程。

叶轮；刀具；加工工艺

0 引 言

整体叶轮是离心式空气压缩机中的核心零件，其作用是将电动机的机械能转化为空气动能，提高输出空气的压力。整体叶轮结构复杂，加工难度大，尤其是加工叶片和流道时，容易产生干涉，流道宽度比较小，无法使用大直径刀具，加工效率低。

1 图样分析

本文所研究整体叶轮零件图样如图1所示，该叶轮为半开放式整体叶轮，叶片数量为17，是某离心式空气压缩机的核心零件，叶轮三维结构如图2所示。该叶轮结构比较复杂，叶片扭曲程度比较高，主要有叶片、流道、圆角、孔等特征。叶轮的主要加工难点为叶片面、流道面和叶根圆角，此位置加工时容易产生干涉，并且只能采用小刀具加工，效率低，叶轮内孔尺寸要求以及内孔与叶轮外轮廓的同轴度要求都比较高，零件主要加工内容如表1所示。

图1 叶轮零件图

图2 叶轮三维模型

表1 加工内容

2 制定工艺路线

该叶轮分4次装夹，毛坯选用圆柱棒料，第1次装夹采用三爪夹盘夹持，完成叶轮打孔和粗车；第2次装夹采用三爪夹盘夹持，完成叶轮底面台阶圆、台阶孔精车；第3次装夹采用三爪夹盘和软爪夹持，完成叶轮孔和轮毂的精车；第4次装夹采用专用夹具夹持，完成叶轮铣削加工。工艺路线制定如下：1）备料。0Cr17Ni4Cu4Nb棒料，尺寸为φ220 mm×95 mm。2）打孔。在数控车床上用三爪夹盘夹持，打孔直径为16 mm，深度贯通。3）粗车。粗车叶轮轮毂面，留2 mm精车余量。4）精车叶轮底面。在数控车床上零件掉头，用三爪夹盘夹持，精车叶轮底面台阶外圆和台阶孔。5）精车叶轮包履面。在数控车床上用三爪夹盘和软爪夹持。叶轮底面台阶外圆，精车内孔和轮毂面。6）叶轮粗铣。在五轴联动加工中心上用专用夹具夹持，粗铣叶轮，流道方向和叶片方向各留0.5 mm精铣余量。7）粗铣叶片前缘。粗铣叶片前缘，留0.5 mm精铣余量。8）叶片半精加工。半精加工叶片，叶片方向留0.2 mm精铣余量，流道方向留0.5 mm精铣余量。9）流道半精加工。半精加工流道，流道方向留0.2 mm精铣余量，叶片方向留0.5 mm精铣余量。10）叶片精加工。精加工叶片至零件图样要求。11）流道精加工。精加工流道至零件图样要求。12）叶根圆角精加工。精加工叶根圆角至零件图样要求。

3 毛坯选用

图3 叶轮粗车装夹示意图

图4 叶轮底面精车装夹示意图

图5 叶轮包履面车削装夹示意图

图6 叶轮铣削装夹示意图

该叶轮材料为0Cr17Ni4Cu4Nb，此材料属于马氏体沉淀硬化不锈钢，具有高强度、高硬度和抗腐蚀等特性，广泛应用于制造轴类、汽轮机部件、航天涡轮机叶片等场合。0Cr17Ni4Cu4Nb由于硬度高，不容易断屑等特点，切削性比较差，尺寸精度不容易控制。根据零件尺寸和机床性能，并考虑零件装夹要求，选用直径为220 mm，高度为95 mm的棒料。

4 夹具选用

该叶轮分4次装夹，打孔粗车时，以毛坯作为基准，选用三爪夹盘装夹，工件轴向伸出量为85 mm，装夹简图如图3所示。车削叶轮底面时，采用已经粗车完毕台阶外圆作为定位基准，三爪夹盘装夹，装夹示意图如图4所示。车削包履面时，以已加工完毕的叶轮底面台阶圆为基准，选用三爪夹盘和软爪装夹，装夹示意图如图5所示。叶轮铣削时，以叶轮底面和叶轮轴孔作为定位基准，使用专用夹具装夹，装夹示意图如图6所示。

表2 刀具列表

5 刀具和切削用量选用

叶轮铣削时，由于流道窄，只能使用直径较小的刀具，为了提高刀具刚性，尽量采用带有锥度的铣刀。选用山高刀具系统，查阅山高刀具手册，选用刀具和切削用量如表2所示。

6 叶轮编程与加工

本文所涉叶轮加工分车削和铣削两种加工方式，其中车削加工较为简单，此处不再赘述。叶轮铣削属于五轴联动铣削加工，程序复杂编程困难。NX软件自8.0版本后就提供了专门的叶轮加工模块，本文使用NX10.0软件的叶轮加工模块，编制叶轮加工轨迹，如图6所示，并通过后处理得到叶轮加工程序。

图6 叶轮加工刀具轨迹

图7 叶轮加工

选用德玛吉DMU65monoBLOCK五轴联动加工中心作为该叶轮加工设备。DMU65为AC轴摇篮结构，配备海德汉530系统，具有很好的工艺能力和加工精度。将车削好的叶轮毛坯安装在夹具上，并调整叶轮毛坯回转轴线与机床C轴回转轴线同轴，装调好所有刀具，使用经过后处理得到的加工程序，完成该叶轮加工，总加工时间为7.2 h，加工过程如图7所示。

7 结语

本文以某企业离心式空气压缩机叶轮为研究对象，通过对叶轮结构以及零件图样的分析，确定该叶轮的加工内容和加工要求。根据叶轮加工特点设计了叶轮的加工工艺路线，设计了叶轮加工的装夹方式，选用了叶轮加工刀具和切削参数。使用NX软件编制了叶轮的加工程序，完成了叶轮加工。本文完整地阐述了叶轮的加工过程，对叶轮制造具有普遍的借鉴意义。

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Implementation and Research on Machining Process of Impeller

GAO Ruijie,GAO Chong,GU Tao
(Suzhou Institute ofIndustrial Technology,Suzhou 215104,China)

According to the draft of impeller,the impeller structure is analyzed,and the processing content and processing requirements of the impeller are determined.The impeller machining process is designed.The appropriate blank,cutting tool and fixture are selected.The five-axis milling program and the impeller machining are completed.This paper expounds the impeller parts machining process in general.

impeller;tool;machining process

TH 162;TG 659

A

1002－2333（2018）01－0069－03

江苏高校品牌专业建设工程资助项目（PPZY2015B186）

（编辑黄 荻）

高睿杰（1995—），男，专科在读，数控技术专业；

顾涛（1977—），男，硕士，讲师，研究方向为现代制造技术。

2017-03-29