整體螺旋誘導(dǎo)輪五軸聯(lián)動數(shù)控加工研究*

曾 強(qiáng) 張志森 肖輝進(jìn)

（四川文理學(xué)院，四川達(dá)州 635000）

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氣蝕性，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。這類零件形狀特征明顯，工作型面的設(shè)計涉及到空氣動力學(xué)、流體力學(xué)等多個學(xué)科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面質(zhì)量對其性能參數(shù)都有很大影響。

傳統(tǒng)的螺旋誘導(dǎo)輪生產(chǎn)的方法是采用鑄造成型后修光。而隨著工業(yè)要求的發(fā)展，螺旋誘導(dǎo)輪工作曲面形狀更加復(fù)雜，制造模具的難度非常大，工藝過程復(fù)雜，制造成本高。并且傳統(tǒng)加工出來的誘導(dǎo)輪葉片的表面粗糙度差，而且葉片精度難以保證，動平衡性能差。

現(xiàn)代的整體式誘導(dǎo)輪加工是指輪轂和葉片在同一毛坯體上進(jìn)行的整體加工，而不采用鑄造成型或葉片加工成形后焊接在輪轂上的工藝方法，一般都要在五坐標(biāo)聯(lián)動機(jī)床上進(jìn)行加工。但在加工中有很大的難度，必須要選擇好合理的刀具及切削用量，規(guī)劃好流道及葉片加工方法。

表1 00Cr17Ni14Mo2不銹鋼的化學(xué)成分［2］ （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表2 00Cr17Ni14Mo2不銹鋼的力學(xué)性能［2］

1 螺旋誘導(dǎo)輪的分析

1.1 圖樣分析

圖1所示為兩葉變螺距誘 導(dǎo) 輪， 材 料 是00Cr17Ni14Mo2奧氏體不銹鋼，總長128.5 mm;輪轂呈錐形，輪緣 φ85 mm;相鄰葉片最小間距22.975 mm，葉片最薄處1.5 mm，最厚處3 mm，流道最深處達(dá)34.68 mm。

1.2 誘導(dǎo)輪加工難點(diǎn)

為了滿足誘導(dǎo)輪的使用要求，誘導(dǎo)輪采用了大扭角，根部變圓角等結(jié)構(gòu)，而這就給誘導(dǎo)輪的加工提出了比較高的要求。其加工難度如下:

（1）誘導(dǎo)輪加工槽道窄，而葉片相對較長，剛度低，是一種典型的薄壁類零件，加工過程中非常容易發(fā)生變形，這就增加了整體誘導(dǎo)輪加工難度。

（2）誘導(dǎo)輪相鄰葉片最小間距22.975 mm，而且最窄處葉片深度34.68 mm，若用小直徑刀具加工，刀具剛性差，容易折斷。

（3）工件材料的切削性能極差。誘導(dǎo)輪材料的化學(xué)成分與力學(xué)性能分別如表1、2所示，因?yàn)榇嬖谥罅康腃r和Ni使得鋼在常溫下呈奧氏體狀態(tài)，不但有高的抗腐蝕和點(diǎn)蝕能力，而且其塑性和韌性也較高。切削過程中塑性變形和強(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;切削抗力大;切削產(chǎn)生的熱量多，導(dǎo)熱系數(shù)低，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［1－3］。

所以要制造精度要求較高、幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的誘導(dǎo)輪，就要有良好的切削環(huán)境、合理的刀具及切削用量、流道及葉片加工策略和刀具路徑規(guī)劃。

2 誘導(dǎo)輪流道及葉片加工工藝流程

根據(jù)誘導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料的切削性能以及車間的實(shí)際情況，誘導(dǎo)輪流道、葉片及過渡面的數(shù)控加工選擇在德國產(chǎn)的五軸聯(lián)動機(jī)床DMU100 monoBLOCK上進(jìn)行。該機(jī)床配Heidenhain_iTNC530系統(tǒng)，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)12 000 r/min。加工中可采用高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給、小吃深的銑削方式，按要求設(shè)定合理的步距和行距，這樣使得切削力較小，切削較輕快，葉片變形也小，可以大大減輕加工硬化現(xiàn)象，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。刀具的參數(shù)選擇如表3所示，流道及葉片的加工工藝流程如表4所示。

表3 刀具參數(shù)

表4 流道及葉片加工工藝流程

3 流道、葉片及過渡面CAM

3.1 流道加工軌跡規(guī)劃

流道粗、精加工采用可變軸輪廓銑的方式進(jìn)行，選取流道面為驅(qū)動面，葉片面為干涉檢查面，用插補(bǔ)刀具軸的方式來控制刀軸的變化。插補(bǔ)刀具軸的特點(diǎn)是通過在指定點(diǎn)定義矢量方向來控制刀具軸。當(dāng)驅(qū)動或工件幾何體非常復(fù)雜，又沒有附加刀具軸控制幾何體時，插補(bǔ)刀具軸可以控制劇烈的刀具軸變化，還能調(diào)節(jié)刀具軌跡，以避免碰撞到障礙物;還可以從驅(qū)動幾何體上去定義所需要的足夠多的矢量以保證光順的刀具軸移動。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(diǎn)的刀軸矢量由U、V雙向線性插值或樣條插值獲得，如圖2所示。加工刀軌及在UG的可視化仿真如圖3所示。

3.2 葉片加工軌跡規(guī)劃

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輪廓銑的方式進(jìn)行，選擇葉片面為切削區(qū)域和驅(qū)動面，而流道面、其他相鄰葉片面和輪轂面作為干涉檢查面，刀軸矢量選擇相對于矢量控制，如圖4所示。

3.3 過渡曲面清根加工軌跡規(guī)劃

過渡曲面的清根選擇過渡曲面為驅(qū)動面，流道面、相鄰葉片面和輪轂面作為干涉檢查面，采用的相對于矢量方式控制刀軸。為了有效避免過切和干涉碰撞，要合理地設(shè)置引導(dǎo)角、傾斜角及進(jìn)、退刀方式，如圖5所示。

4 仿真驗(yàn)證和試切加工

誘導(dǎo)輪的編程是一個非常復(fù)雜的過程，編制好的數(shù)控程序可以通過Vericut仿真軟件進(jìn)行反復(fù)仿真驗(yàn)證，檢查過切、欠切等問題，并及時修改和優(yōu)化。誘導(dǎo)輪仿真加工如圖6所示。在加工程序確認(rèn)無誤的情況之下，還必須在實(shí)際的機(jī)床上進(jìn)行試切。試切時，一般先切出1個完整的流道和1對葉片。試切不但可以檢查出數(shù)控程序的一些問題，還可以調(diào)試切削的一些工藝參數(shù)，以便能高效加工出合格的誘導(dǎo)輪，其加工如圖7所示。

5 結(jié)語

通過對00Cr17Ni14Mo2奧氏體不銹鋼螺旋誘導(dǎo)輪的分析，合理地選擇了加工刀具、切削參數(shù)和加工工序;在誘導(dǎo)輪的流道、葉片及過渡曲面上采用了不同的加工策略;根據(jù)刀軌編制出數(shù)控程序，并進(jìn)行了加工仿真和優(yōu)化。通過試切加工證明，在加工過程中解決了干涉碰撞和過切問題，避免了積屑瘤的形成，減輕了加工硬化現(xiàn)象，減小了刀具的磨損，大大地提高了刀具使用壽命和生產(chǎn)效率，加工好的誘導(dǎo)輪完全符合設(shè)計和使用要求。

［1］曾強(qiáng).葉輪類零件的五軸聯(lián)動數(shù)控加工與仿真［D］.成都:西南交通大學(xué)，2009.

［2］不銹鋼的切削加工［DB/OL］.www.ytbxw.com/Logistics/6310.html.

［3］艾興，肖詩剛.切削用量簡明手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

［4］曾強(qiáng)，田懷文.基于EdgeCAM的整體葉輪的車銑復(fù)合加工［J］.機(jī)床與液壓，2010（5）.

［5］鄧維鑫，許明恒，陳思，等.不銹鋼葉輪五軸聯(lián)動數(shù)控加工中仿真技術(shù)應(yīng)用研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2010（12）.

［6］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 100T機(jī)床中的實(shí)現(xiàn)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008（9）:121－124.