三元葉輪在五軸聯動加工中心3+2軸銑削工藝研究

沈陽鼓風機集團有限公司 (遼寧 110869) 劉 磊

三元葉輪作為透平機械的核心轉動部件，是一種具有代表性且造型比較規范的、典型的通道類復雜零件 (見圖1)，其特征形狀明顯，葉片的吸力面和壓力面形狀涉及到空氣動力學、流體力學等多個學科，其加工難點主要表現在:①葉輪的葉片形狀復雜，其葉片多為非可展扭曲直紋面，只能五軸數控銑制或者電解加工。②由于葉輪葉片的厚度較薄，在加工過程中會產生彈塑性變形而很容易發生過切現象。③葉輪大多工作在腐蝕性較強的介質和高速旋轉做功的情況下，葉輪旋轉時具有很高的線速度，因此多選擇不銹鋼、高溫鎳基合金或鈦合金等難加工材料。

圖1 具有較多葉片個數的三元葉輪示意圖

新使用的高進給銑削方法主要是使用進口硬質合金刀具和五軸機床定軸加工來實現，解決了傳統的三元葉輪加工使用國產高速鋼刀具五軸聯動側刃銑削時所產生的難題:零件加工周期長且機床切削力大，容易造成機床主軸頭損毀，同時由于高速鋼刀具的韌性好，刀具振動很容易造成葉片過切。

針對離心壓縮機大直徑的三元葉輪，使用新的高進給銑削方法通過五軸聯動的數控機床3+2軸固定刀軸空間矢量的方法，大幅度提高了五軸數控機床的剛性，從而減少了在切削過程中產生的振動;再結合使用帶有CVD化學涂層和PVD物理涂層的硬質合金銑刀，通過刀具商在大進給銑刀上切削力和切削角度的優化設計，通過“小切深，大進給”的銑削方法，可以大幅度提高加工零件的金屬去除率，從而提高了葉輪的加工效率。由于切削過程中產生的振動極小，從而降低了數控機床主軸頭的故障率，并大大延長了五軸數控加工中心的正常使用壽命。

1.五軸聯動數控機床3+2軸粗加工銑削關鍵點

三元葉輪是由直紋面和自由曲面兩種類型葉輪構成的。傳統的三元葉輪加工方法是由HSS高速鋼銑刀采取流道分層側銑葉輪通道的方法，由輪蓋到輪盤逐層銑削加工。由于高速鋼的刀具線速度較低，其耐熱性和壽命也較低，同時銑削過程中會產生很大的切削力，在五軸聯動數控機床上用高速鋼銑刀銑削加工時無法體現五軸聯動的高效性。當五軸聯動的數控機床處于3+2軸的工作狀態時，機床的兩個旋轉軸處于鎖死的狀態，只有X、Y、Z 3個直線軸電動機進行銑削移動，這時五軸機床處于最佳的機床剛性狀態，在切削過程中會大幅度降低產生的振動 (見圖2)。

我公司是國內專業生產離心壓縮機的公司，目前加工過的最大直徑的三元葉輪是1480 mm三元葉輪，葉輪材料為17－4PH不銹鋼鍛件，三元葉片為11組長短葉片，其中葉片進口處最深達320 mm，出口深度達120 mm。毛坯料重達6 t，銑削加工后只有2.5 t。對于如此大的三元葉輪，采取高速鋼分層側刃銑削流道的方法，需要3個月的加工周期，而采用新的3+2軸定軸銑削的方法，則僅需要加工1個月。

圖2 五軸數控加工中心3+2軸銑削三元葉輪示意圖

2.使用硬質合金大進給銑刀提高金屬去除率的關鍵點

大直徑三元葉輪粗加工銑制時采用硬質合金刀頭和減振刀桿，葉輪材料為不銹鋼鍛件，其相應使用的硬質合金刀片的線速度最大可達到140 m/min。加工時將五坐標加工中心的兩個旋轉軸鎖定，利用X、Y、Z直線軸中的兩個或三個聯動切削 (見圖3)。該方法為大進給、小切深的高速型腔銑。加工時刀具的剛性最大，機床的扭矩最小，減少了加工時機床產生的振動。對于五軸聯動數控中心A、B軸的角度合理選取，主要取決于葉輪的扭曲程度，以及編程員的技術水平。對于此種大直徑的三元葉輪，銑削的重點和難點在于要克服銑刀的長徑比極限，當銑削刀具的長度過長時，刀具的剛性大幅度下降，容易產生切削振動。對于普通的銑削刀具，L/D=6時是刀桿軸向長度的極限。在加工大直徑葉輪時，我們采用了專業的防振減振刀桿，其內部的接口結構為三角軸和三角孔的capto專利結構，Capto刀柄的聯接機構特征是采用端面與多邊形錐面定位夾緊，能夠確保在高速加工條件下保持接觸面積，從而獲得優良的高剛性。在刀桿使用上，也做到因地制宜，加工葉片頂部時，采用短刀桿，提高切削效率;加工葉片根部時，采用的長刀桿為重金屬防振刀桿，以解決因刀具長徑比大而引起的刀具剛性不足問題。

圖3

3.葉片精加工的關鍵點

葉片精加工的關鍵點如圖4所示。

圖4

對于表面粗糙度要求較高的三元葉片，可以采用硬質合金刀具，進行分層銑削加工。對于表面粗糙度要求不高的葉片，也可以使用HSS銑刀進行側刃成形銑削。

4.結語

使用此種加工方法可以提高數控機床的剛性和降低切削時產生的振動，大幅度提高機床的切削進給率，提高生產效率，降低企業生產成本，帶來顯著的經濟效益。此法同樣適用于航空航天領域難加工的鈦合金和高溫鎳基合金材料。