整体叶轮五轴数控加工工艺技术分析

张競龙

（广州市工贸技师学院，广州 510425）

本文中叶轮加工选用的机床是德国德马吉DMU50五轴联动加工中心，配置海德汉iTNC 530数控系统。机床属于摇篮式结构，在三轴的基础上附加了BC轴，拥有回转摆动工作台，能对零件进行全方位的高效加工。

叶轮根据结构形式分为3种，分别是闭式叶轮、半开式叶轮和开式叶轮[1]。闭式叶轮由前后盖板和叶片组成。半开式叶轮由叶片和后盖板组成。开式叶轮只有叶片与部分后盖板或没有后盖板。加工整体叶轮前，需要对叶轮的结构分类、特点以及相关知识有一定的了解。叶轮是压缩机、发动机的一种关键零件。气体经过进气管进入工作轮，在工作轮中气体因受到叶片的作用力而使压力升高，速度增加。因此，对整体叶轮的要求主要有两个方面。一方面，气体流过叶轮时损失要小，即气体流经叶轮的效率要高；另一方面，叶轮型式能使整机性能曲线的稳定工况区及高效区范围较宽。根据上述要求，整体叶轮的加工难点是轮毂面的加工和叶片型面的加工。为了加工出合格的叶轮，由最初的铸造成型后修光发展到后来的石蜡精密铸造，还有电火花加工等方法。但是，这些加工方法不仅加工效率低，而且加工精度或机械性能欠佳。随着五轴加工技术的应用，以上问题都将得到很好的解决。

1 整体叶轮结构分析

本文的整体叶轮属于开式叶轮，叶轮结构特点如图1所示。叶轮轮毂为圆锥体，上圆Φ22 mm，下圆Φ36 mm，高度51 mm。中间有一个Φ25 mm的孔，键槽宽度为8 mm，叶轮最大直径Φ185 mm，叶片长度65 mm。在圆锥面上均布十片叶片，叶片厚度不均，最小厚度为1 mm。

图1 整体叶轮

加工整体叶轮的主要难点在于叶轮叶片面为自由曲面，曲率变化较大，叶片呈S型扭曲，叶片根部有R2圆角过渡。叶片数量多、流道窄，导致叶片之间的容刀空间很小，易出现加工刀具与叶片的干涉现象，加工难度较大[2]。同时，叶轮对尺寸精度、表面粗糙度等有着严格的要求，还要求刀纹要顺着气流流路的方向，以减少气流的损耗。叶轮加工过程中，薄壁部分容易产生变形。因此，加工前要规划好加工工艺和制定合适的加工方案，防止叶片加工过程中出现问题。根据以往的经验，由于叶片的长度较长、厚度较薄，因此加工过程中很容易变形。经综合考虑，需在整体叶轮的外围上附加一个圆环，增强叶片的刚性，同时减少振动和变形，如图2所示。完成加工后，再把圆环切除掉。

图2 整体叶轮（附加圆环）

2 整体叶轮加工工艺规划

2.1 叶轮坯体加工

加工材料为黄铜，毛坯尺寸为Φ200 mm×55 mm。为了减少五轴机床的上机时间，通常使用三轴数控机床对产品零件进行粗加工。本文利用三爪卡盘装夹毛坯，通过铣削加工圆槽、方形凸台、中心孔等，其余部分加工至叶轮的毛坯体，并保证叶轮毛坯体高度为叶轮总高度。叶轮中间的键槽是直角，无法通过常规加工获得，需要外发线切割加工键槽，如图3所示。在后续的五轴加工中，以方形凸台和中心孔对叶轮毛坯体进行装夹及定位。

图3 叶轮毛坯体

2.2 整体叶轮粗加工

定义叶轮为加工对象，运用三轴加工方法，高效快速地去除零件的多余材料，加工出叶轮的基本轮廓，如图4所示。

图4 整体叶轮粗加工

2.3 叶轮流道粗加工

该过程的加工对象是叶轮流道区域，去除两叶片之间的余量。采用3+2五轴定位加工方式，分别对10个叶轮流道进行粗加工，如图5所示。

图5 叶轮流道粗加工

2.4 过渡圆角清根加工

该过程主要加工轮毂与叶片之间的过渡圆角，清除叶片根部的余量，为叶片的加工做准备。选择圆角曲面作为加工对象，选择轮毂和相邻叶片曲面作为干涉检査几何体。

2.5 叶片曲面半精加工

叶片加工是叶轮加工的重点。叶片曲面为自由曲面，流道窄，叶片扭曲比较严重，且有明显的后仰趋势。由于叶片的曲面不是可展直纹曲面，不可以直接采用侧铣法加工。直接采用叶轮加工模块进行加工时极易产生干涉，只能采用3+2五轴定位加工进行分段加工曲面[3]，同时保证加工表面的一致性，如图6所示。

图6 叶片曲面半精加工

2.6 叶片曲面精加工

叶片曲面精加工和叶片曲面半精加工方法基本相同，只是精加工采用较小的步距，便于提高加工表面质量。

2.7 叶轮轮毂精加工

叶轮轮毂位于叶片的根部，在加工时要避免与叶片产生干涉。采用3+2五轴定位加工，使用住复切削方式对轮毂曲面进行分段加工。

2.8 反面加工

组合工装的圆柱为Φ200 mm×100 mm，顶部中间有一个M12的螺纹孔，底部有4个M10的螺纹孔。工装板上有4个键槽，使用螺栓和螺帽把圆柱固定在工装板的键槽上，如图7所示。再利用一个螺栓和螺帽，对整体叶轮进行安装，把叶轮零件固定在组合工装上。工装板先不要固定在机床的工作台上，需使用百分表对圆柱进行找正，调整圆柱的回转中心与工作台上的回转中心重合，重合后把工装板固定在工作台上。为了增强叶片的刚性，减少加工过程中出现的振动和变形，需利用石膏对叶轮底部进行填充[4]。反面加工方法跟正面的基本相同，填充石膏加工效果如图8所示。

图7 组合工装

图8 填充石膏加工效果图

2.9 切除圆环

叶轮正反面完成加工后，使用螺旋走刀方式把圆环切除掉。螺旋走刀方式，叶片受力均匀，避免下刀位置经多次下刀受力变形[5]。加工圆环位置时，石膏起了一个很好的固定作用，减少了叶片的应力变形。

3 整体叶轮加工

五轴加工时很容易产生碰撞干涉。为保证五轴加工过程安全可靠，在上机加工前通过VERICUT仿真软件进行仿真加工。在仿真软件上构建仿真平台，包括数控系统、机床型号、夹具、夹头以及刀具等。为了更好地验证加工效果，需使用实际加工时的工装、加工工艺进行仿真加工，以检验叶轮加工过程中是否存在碰撞、过切等现象。通过仿真验证后进入实际加工，整体叶轮加工效果如图9和图10所示。

图9 整体叶轮加工效果一

图10 整体叶轮加工效果二

4 结语

实践证明，加工开式叶轮且叶片长度较长时，在叶轮外围附加一个圆环和反面加工时填充石膏。两者的配合使用，能增强叶轮加工的刚性，避免叶片的振动作用而导致振纹的产生。经过加工精度检测，整体叶轮的加工精度和表面质量达到了使用要求。本文的加工工艺能满足整体叶轮加工的相关技术要求，加工过程安排合理。加工工艺方案在数控加工中具有重要作用，只有在对零件结构分析的基础上制定加工工艺方案，选用适用的装夹方式，确定合理的加工参数，才能充分发挥五轴加工的优势，获得最佳的加工效果。