渦輪轉子葉片對稱加工用雙主軸銑削機床*

趙 巖 李文彬 劉浩然 邵 璟

（①燕山大學機械工程學院，河北秦皇島066004;②燕山大學信息科學與工程學院，河北秦皇島066004;③北京機電院機床有限公司，北京 100027）

隨著社會需求的不斷變化，冶金、微電子、化工以及食品等行業很多環節都需要在真空的環境下完成，能獲得清潔真空的磁懸浮分子泵已成為獲得真空環境的重要設備之一，而硬鋁合金整體渦輪轉子是磁懸浮分子泵中的關鍵零件。

硬鋁合金整體渦輪轉子有多層葉片，每層葉片的參數各不相同。葉片與葉片之間的間隙很小，只有幾毫米，葉片最終銑削成形，不再有其它后續加工。硬鋁合金整體渦輪轉子葉片加工前后的結構如圖1所示。渦輪轉子屬于高速旋轉的回轉體零件，這就使葉片加工精度尤其是對稱性要求比較高。由于葉片之間的間隙小，只能使用直徑比較小的立銑刀加工。為了保證切削的線速度，就要采用高速旋轉的電主軸進行加工。

目前國內磁懸浮分子泵渦輪轉子葉片的加工現狀不太理想，最突出的問題就是加工效率低。僅葉片銑削加工這一道工序就需要12 h左右。為提高轉子效率，葉片應是具有空間曲面的葉形，但針對本文所研究的渦輪轉子，葉片空間曲面葉形的加工問題沒有解決，只能設計為平面形狀，用四軸機床兩軸聯動加工。

目前用于提高加工效率的措施主要分為5類:（1）提高機床的加工能力;（2）采用高速切削技術;（3）優化加工工藝;（4）優化刀具路徑;（5）改進刀具結構。但是，以上措施都是基于單主軸加工的，這些措施并沒有充分利用硬鋁合金整體渦輪轉子的結構特點，因此其加工效率的提高有限［1］。

為了大幅提高整體渦輪轉子葉片的加工效率，本文根據整體渦輪轉子的結構特點，提出了一種新型的雙主軸臥式銑削機床結構，并闡述了這種新型機床對稱加工硬鋁合金整體渦輪轉子葉片的實現方法。本文所提出的新型雙主軸臥式銑削機床加工硬鋁合金整體渦輪轉子葉片的加工效率理論上可提高近一倍，能夠使工件成本大大降低。這對提高國內的磁懸浮分子泵核心零部件制造水平，近而滿足國內冶金、微電子、化工以及食品等行業的發展具有重要意義。

1 加工整體渦輪轉子葉片的典型機床類型

目前，國內外加工整體渦輪類葉片的機床大致可分為3類:一是能夠實現兩軸聯動加工的四軸機床（如瑞士MIKRON公司的HSM 600）;二是能夠實現五軸聯動加工的機床（如瑞士LIECHTI公司的g－Mill 550加工中心）;三是能夠同時加工2個工件的雙主軸機床（如瑞士LIECHTI公司的g－Mill 550 Twin加工中心）。

1.1 兩軸聯動加工的四軸機床

MIKRON HSM 600機床外形結構圖如圖2所示。該機床能夠實現3個移動坐標（X、Y、Z）和 1 個旋轉坐標（A）方向的運動，其工作范圍在X及Y方向的行程為600 mm，在豎直方向即Z方向的行程為500 mm，并且能夠使工件回轉分度，工作臺

最大承重為0.8 t，主軸最高轉速達到42 000 r/min。由于該機床能夠實現兩軸聯動加工整體渦輪轉子，所以現階段多用這種類型機床加工平面葉形的硬鋁合金整體渦輪轉子葉片［2］。

1.2 五軸聯動加工中心

瑞士LIECHTI公司的g－Mill 550加工中心（如圖3）專門加工渦輪葉輪、葉片及復雜曲面的工件，它的床身與門架呈20°前傾狀態，能夠無振動地承受大的載荷。這種獨特的角度位置完全可以保證切屑自由流動，并可連續觀察工件和刀具。這種結構具有很高的動態特性、可靠性和通用性。采用這種五軸聯動機床加工渦輪葉輪、葉片等可以提高其表面加工質量、加工精度及加工效率［3－4］。

1.3 雙主軸加工中心

瑞士LIECHTI公司的g－Mill 550 Twin（圖4）加工中心幾乎同g－Mill 550加工中心一樣。其Y向行程會從單軸型的600 mm減小到330 mm，最大工件回轉直徑也從單軸型的550 mm減小到320 mm，最大加工長度不變。兩根主軸完全相同（與單軸相同），功率都是22 kW（圖5），轉矩183 N·m，最高轉速15 000 r/min，因此生產效率也可以提高一倍。

2 新型雙主軸臥式銑削機床

本文提出的新型雙主軸臥式銑削機床結構簡圖如圖5所示。

機床床身使用礦物鑄件（材料為人造花崗巖），礦物鑄件可以增加機床床身的穩定性，減少熱變形的影響，提高機床的精度。與傳統的鑄鐵件相比，礦物鑄件具有許多優勢:

（1）礦物鑄件的熱收縮性很小，不存在局部收縮，比傳統的鑄鐵件精度要高很多;

（2）具有極強的吸振能力，在加工使用過程中的振動對機床床身幾乎不產生影響，從而保證了機床的精度;

（3）礦物鑄件對溫度的變化不敏感，導熱性比金屬低很多，能夠有效地把機床因受熱引起的幾何尺寸誤差控制在最小范圍，從而保證機床的精度［5－6］。

機床立柱、橫梁、滑板和主軸箱均采用鋼結構焊接件。

機床的主要規格如表1所示。

表1 機床主要規格

本機床結構的工作原理為:在加工時，刀具5和11分別在渦輪轉子4的兩側沿X軸上下移動，其中共用工作臺2沿Y方向的移動，從而實現渦輪轉子葉片的對稱加工。其示意圖如圖6所示。

基于以上原理，在加工硬鋁合金整體渦輪轉子葉片時，首先裝夾待加工渦輪轉子，待加工渦輪轉子由置于工作臺2上的專用夾具裝夾。渦輪轉子葉片在加工過程中，可以在數控轉臺3的帶動下實現渦輪轉子4的旋轉;通過滑枕7、12沿X軸上下移動，刀具5、11可以實現X軸方向的移動;主軸箱6、13可以分別在滑枕7、12上沿Z軸移動，因此，刀具5、11可以實現Z軸方向的移動;工作臺2可以在床身1上沿Y軸移動，從而待加工渦輪轉子4可實現Y軸方向的移動。刀具5、11分別沿X軸、Z軸方向移動到一定位置，再通過X、Y軸聯動使刀具5、11相對渦輪轉子4按照一定的平行四邊形路徑（a—b—c—d和e—f—g—h）對稱加工葉片（如圖6所示）。其余各層葉片加工原理相同。

3 結語

本文提出的這種新型雙主軸臥式銑削機床可使硬鋁合金整體渦輪轉子葉片的加工效率理論上提高近一倍，同時由于機床床身使用礦物鑄件、選用高可靠性的電主軸、高精度的滾珠絲杠進給系統以及雙主軸對稱加工等措施，能夠使渦輪轉子的對稱度及加工精度相對提高，有利于分子泵的動平衡，同時也使工件加工成本大大降低。從而有助于提高國內磁懸浮分子泵中硬鋁合金整體渦輪轉子的制造水平，滿足國內冶金、微電子、化工以及食品等行業的發展需求。

［1］朱林森，湯漾平，賓鴻贊，等.對稱加工方法及其實現機理的研究［J］.中國機械工程，2007，18（20）:2395－2398.

［2］http://www.gfac.com/gfac/products/high－speed－machining－centers/hsm/mikron－hsm－600.html?L=0

［3］http://www.liechti.com/index_en.htm

［4］春林.加工流線和自由形面的雙主軸加工中心［J］.世界制造技術與裝備市場，2005（2）:42－43.

［5］侯鎮冰，諸乃雄，陳建龍.機床結構新材料——人造花崗巖［J］.機械工程，1989（5）:27－28.

［6］夏田.數控加工中心設計［M］.北京:化學工業出版社，2006.