變螺距誘導(dǎo)輪五軸聯(lián)動數(shù)控加工策略

周 奎 司徒渝 李登萬

（!西南交通大學(xué)，四川成都6l003l；"四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽6l8000）

螺旋誘導(dǎo)輪是一種結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良的流體裝置，自身具有良好的抗腐蝕和汽蝕性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、化工等行業(yè)的透平機(jī)械中。螺旋誘導(dǎo)輪為輪轂與葉片一起整體加工成型。輪轂為回轉(zhuǎn)體，葉片為雕塑曲面，在葉片與輪轂之間還存在著圓角過渡曲面。圖l所示為某化工設(shè)備的兩葉變螺距誘導(dǎo)輪，材料00Crl 7Nil 4Mo2奧氏體不銹鋼，工作轉(zhuǎn)速l2000 r/min，總長 l28.5 mm；輪轂呈錐形，輪緣直徑φ85 mm；相鄰葉片最小間距22.975 mm，葉片最薄處l.5 mm，最厚處3mm，流道最深處達(dá)34.68mm。工件材料切削性能極差，制造精度要求較高，幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易產(chǎn)生干涉、碰撞，加工軌跡規(guī)劃約束條件多，葉片薄，流道深，易變形。既要提高生產(chǎn)效率，保證葉片表面質(zhì)量，還要滿足其幾何形狀準(zhǔn)確性的要求，需用五軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床才能完成其整體加工成型。其中，良好的切削環(huán)境，合理的刀具及切削用量，流道及葉片加工策略，刀具路徑規(guī)劃是我們必須解決的技術(shù)關(guān)鍵。

1 變螺距誘導(dǎo)輪數(shù)控加工工藝流程規(guī)劃

根據(jù)兩葉變螺距螺旋誘導(dǎo)輪的材料特性、幾何結(jié)構(gòu)特征、使用要求和車間設(shè)備狀況，單件小批量生產(chǎn)的工藝流程如表l所示。其中，輪轂及螺紋孔在CK6l32數(shù)控車床中兩次裝夾，分層多次走刀便能完成其數(shù)控加工，毛坯車削后形狀如圖2所示。UCP600五軸聯(lián)動加工中心完成流道、葉片及過渡面的粗加工、半精加工及精加工。

2 材料的影響及加工策略

兩葉變螺距螺旋誘導(dǎo)輪材料化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2、3所示，大量的Cr和Ni使鋼在常溫下呈奧氏體狀態(tài)，不但有極高的抗腐蝕和點蝕能力，而且其塑性和韌性也較高。切削過程中塑性變形大（伸長率超過40%），強(qiáng)化系數(shù)很大，變形時，晶體間剪切滑移，晶格嚴(yán)重扭曲、拉長、纖維化以及破碎；加工硬化嚴(yán)重（硬化層的強(qiáng)度 σb達(dá)l 470～l 960 MPa，而且隨 σb的提高，屈服極限σs升高，硬化層的深度達(dá)切削深度的l/3或更大，硬度比原來的提高l.4～2.2倍）；切削抗力大；切削產(chǎn)生的熱量多，導(dǎo)熱系數(shù)小，散熱環(huán)境差，致使切削溫度高；切削時，帶狀切屑連綿不斷，卷屑、斷屑困難；積屑瘤現(xiàn)象嚴(yán)重；刀具易磨損；線膨脹系數(shù)大，容易產(chǎn)生熱變形，尺寸精度較難控制。切削性能僅為同等條件下45鋼的40%左右［l］。

表1 變螺距誘導(dǎo)輪單件小批量生產(chǎn)工藝過程

表200Cr17Ni14M o2不銹鋼的化學(xué)成分［1］

表300Cr17Ni14M o2不銹鋼的力學(xué)性能［1］

表4 刀具及切削用量

根據(jù)00Crl7Nil4Mo2奧氏體不銹鋼的切削性能，以及葉片薄、易變形的結(jié)構(gòu)特點，變螺距誘導(dǎo)輪流道、葉片及過渡面的數(shù)控加工選擇在Mikron UCP600五軸高速加工中心上進(jìn)行。該機(jī)床配Heidenhain_iTNC530系統(tǒng)，搖籃式工作臺，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)42000 r/min。刀具選擇CoroMill Plura直柄整體硬質(zhì)合金刀具，HSK熱裝刀柄，油霧潤滑。采用高轉(zhuǎn)速，大進(jìn)給，小吃深的高速銑削的方式加工，并設(shè)定合理的切削步距和行距，以保證誘導(dǎo)輪流道、葉片及過渡面的表面質(zhì)量，這種方案使得切削力小，切削輕快，葉片變形小，大大減輕了加工硬化現(xiàn)象，從而提高了生產(chǎn)效率。刀具參數(shù)及切削用量如表4所示。

3 流道、葉片及過渡面數(shù)控加工策略

3.1 流道粗加工策略

流道粗加工策略決定了誘導(dǎo)輪加工的效率，五軸定向多工位型腔銑，方法簡單、快捷、高效，是我們常采用的策略，通過在誘導(dǎo)輪流道設(shè)定合理的刀軸矢量，利用機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的定向功能實現(xiàn)多軸定向多工位型腔銑。工位的安排應(yīng)充分考慮最大限度地去除余量，保證余量均勻以及排屑等問題［2］。如圖3所示，兩葉誘導(dǎo)輪流道粗加工策略采用五軸定向3工位型腔銑的方式，刀軸矢量垂直于輪轂軸線并均勻分布，刀具參數(shù)及切削用量如表4中Tl刀具所示。

3.2 葉片加工策略

根據(jù)誘導(dǎo)輪葉片面的幾何特征，葉片面的粗、精加工均采用可變軸曲面銑的方式進(jìn)行，定義葉片面為切削區(qū)域，同時，選擇葉片面為驅(qū)動面，流道面、其他相鄰葉片面和輪轂面作為干涉檢查面，單向“Zig”形驅(qū)動，刀軸矢量相對于驅(qū)動面（Relative to Drive）控制。如圖4所示，兩葉誘導(dǎo)輪葉片面精加工時，葉片面既為切削區(qū)域又被選做為驅(qū)動面，單向“Zig”形驅(qū)動，用“Tolerance（公差）”控制切削步距，用“Scallop（殘余高度）”控制切削行距以保證誘導(dǎo)輪葉片面的表面質(zhì)量；刀軸矢量相對于驅(qū)動面，前傾角（Lead Angle）為2°，傾斜角（Tilt Angle）取85°，刀具選用φ6 mm整體硬質(zhì)合金立銑刀，具體切削參數(shù)如表4所示。

3.3 流道精加工策略

流道精加工采用可變軸曲面銑的方式進(jìn)行，選取流道面為驅(qū)動面，葉片面為干涉檢查面，用刀軸插補(bǔ)（Interpolated Tool Axis）的方式控制刀軸的變化。誘導(dǎo)輪葉片扭曲且包角較大，刀具要在流道內(nèi)合理擺動，使刀具盡可能地接近兩側(cè)的葉片面而又不過切輪轂，采用通常的刀軸驅(qū)動方法難以實現(xiàn)。刀軸插補(bǔ)功能通過在指定點定義矢量去控制指定點的刀軸。我們在葉片面與輪轂的交線上定義一系列的矢量以控制刀軸，輪轂面上其余刀具位置點的刀軸矢量由U、V雙向線性插值或樣條插值獲得。這樣，刀軸能按照加工的需要而得到很好的控制，在不過切的情況下，最大限度地減小葉片面與輪轂之間的殘留區(qū)。邊界矢量的定義是一個十分細(xì)致的工作，基本原則是：避免刀軸的突變，保證刀軸平滑變化［2］。

3.4 過渡曲面清根策略

過渡曲面的清根是誘導(dǎo)輪數(shù)控加工的最后一步，選擇過渡曲面為驅(qū)動面，流道面、相鄰葉片面和輪轂面作為干涉檢查面，采用的相對于驅(qū)動面方式控制刀軸，并注意合理選取前傾角、傾斜角及進(jìn)、退刀方式，以便能有效避免過切和干涉碰撞。

4 結(jié)語

實踐表明，00Crl7Nil4Mo2奧氏體不銹鋼變螺距誘導(dǎo)輪，通過合理地規(guī)劃流道，葉片及過渡曲面的加工策略，能有效解決干涉碰撞問題；采用整體硬質(zhì)合金刀具，高轉(zhuǎn)速，大進(jìn)給，小吃深高速銑削加工，切削輕快，變形量小，能有效避免積屑瘤的形成，減小加工硬化現(xiàn)象，減小刀具的磨損，從而大大提高刀具使用壽命和生產(chǎn)效率。

l 元唐不銹鋼網(wǎng).不銹鋼的切削加工［M］，www.ytbxw.com/Logistics/63l0.html.

2 司徒渝.葉輪五軸聯(lián)動數(shù)控加工關(guān)鍵技術(shù)研究及在DMU l00T機(jī)床中的實現(xiàn)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008（9）：l2l ～l24