前半開式葉輪五軸加工

廣州市輕工技師學院 (廣東 510220)梁桂全

葉輪是水泵、汽輪機、水輪機、推進器等裝置的關鍵部件，葉輪型面由復雜的三維自由曲面組成，幾何精度要求高，技術難度大。前半開式葉輪是較常用的葉輪形式，如圖1所示，主要用于輸送含有固體顆粒、纖維等懸浮物的液體，具有一定密封作用，在煉油化工離心泵中廣泛應用。

傳統的葉輪加工方法是葉片與輪轂采用不同的毛坯，分別加工成形后將葉片焊接在輪轂上。在焊接處容易損壞，并且由于焊接產生熱應力，造成變形，容易產生虛焊，焊接收縮量難以精確控制，導致前期機加工成形的葉輪流道出現幾何尺寸變化，造成流道精度誤差，影響整機機械特性和使用壽命。這樣不但消耗工時，效率低，還會影響產品質量。為了解決焊接式葉輪加工制造過程中出現的問題，采用五軸數控機床一次加工完成輪轂和葉片，可以減少裝夾次數，保證定位精度;同時，更能提高葉輪表面粗糙度，使用高速銑削能有效地降低切削力和切削區域溫度，從而減少葉片的熱變形。該方法解決了傳統葉輪加工方法的不足，一方面可以提高加工效率;另一方面可以提高加工質量和精度，并且增加葉片的強度和剛度，整個力學性能都有所提升。

圖1 前半開式葉輪

1.前半開式葉輪加工工藝分析

前半開式葉輪加工時，在葉片之間有大量的材料需要去除。為了使葉輪滿足使用要求，葉片常采用大扭角、根部變圓角的結構，這給葉輪的加工提出了更高的要求。根據本例具體加工難點如下:

(1)加工槽道變窄，葉片相對較長，剛度較低，屬于薄壁類零件，加工過程極易變形。

(2)槽道最窄處葉片深度超過刀具直徑的3 倍以上，相鄰葉片空間極小，在清角加工時刀具直徑較小，刀具容易折斷，切削深度的控制也是加工的關鍵之一。

(3)本例的整體葉輪曲面為自由曲面，流道窄，葉片扭曲比較嚴重，并且有明顯的后仰趨勢，加工時極易產生干涉碰撞，加工難度較大。因此，保證加工表面的一致性也有困難。

2.整體葉輪加工工藝過程

(1)葉輪常用材料。毛坯采用牌號為LF5 的鋁棒，因為葉輪是離心泵的關鍵部件之一，它對材料的要求是在保證零件有足夠的強度時盡量減輕零件的重量。為了提高工件的表面粗糙度，先用數控車床車削成為葉輪回轉體的基本形狀，減少五軸的加工難度和時間。

(2)裝夾。采用心軸裝夾定位，在毛坯上加工出鍵槽進行輔助定位，并制作適應心軸定位裝夾。

(3)找正。利用百分表找正工件，求出工件坐標系。將百分表的安裝桿裝在刀柄上，移動工作臺使主軸中心線大約移到工件中心，使百分表的觸頭接觸工件的圓周面，用手轉動主軸，觀察百分表指針的偏移情況，移動工作臺的X 軸和Y 軸，多次反復后，待轉動主軸時百分表的指針基本在同一位置，這時可認為主軸的中心就是X 軸和Y 軸的原點。

(4)葉輪粗加工刀路軌跡。葉輪的粗加工是用賽車線加工方式，采用3 +2 定位五軸加工，盡量減少聯動軸數，提高加工的穩定性。采用三維區域清除策略，粗加工留余量0.5mm，下切為1mm，主軸轉速3 000r/min，進給速度為500mm/min。粗加工刀具路徑如圖2 所示。

圖2 粗加工刀具路徑

賽車線加工方式是把刀具路徑看成賽車在跑道內高速行駛，賽車可以偏離跑道的中心，從而產生類似于賽車在跑道內的運動路徑，可以在不改變速度的情況下來轉彎。這種加工方法增加了刀路運動的光滑性、平衡性，避免刀路突然轉向以及頻繁的切入切出所造成的沖擊，盡可能地保持刀具負荷的穩定，減少任何切削方向的突然變化，解決了加工過程極易變形的難題。

(5)葉輪半精加工刀路軌跡。粗加工時，加工殘留的余量不均勻，特別是葉片的圓弧過渡面，葉根部圓柱面產生的刀具路徑效果不好，需要采用多刀清根的方式進行。由于葉片很薄，在半精加工時盡量采用逐層切削的方式，先加工葉尖位置，保證加工時葉片還有足夠的強度，然后再對葉片進行加工，避免了刀具容易折斷的現象。加工參數為:半精加工留余量0.2mm，下切為3mm，主軸轉速5 000r/min，進給速度為500mm/min。

(6)葉輪精加工刀路軌跡。葉片的精加工采用SWARF 加工方式，因為葉片是由直紋面構成，加工刀路可以順滑連接，在產生精加工刀路軌跡過程中，刀具有可能和葉輪的葉片發生碰撞和過切。利用五軸自動避讓功能，加工殘留清根和深腔加工，軟件自動判斷碰撞區域，并自動調整刀軸矢量，軟件系統根據全部刀具路徑或選定的部分刀具路徑進行碰撞干涉檢查。自動截掉發生碰撞的刀具路徑與指令，并給出不發生碰撞的最短夾刀長度，指導操作者最優化備刀準備，具有非常實用的意義。高的運轉速度使操作者在加工中發現任何問題都無法停機，因而加工前一定要檢查刀具加工路徑及仿真檢查進行結果校驗。把所有可能會出現的意外情況杜絕在上機加工之前，以保證人員和設備的安全。精加工刀具路徑如圖3 所示。

圖3 葉片精加工

(7)五軸機床對葉輪加工及后處理。在五軸機床加工之前，利用PowerMILL 提供五軸聯動的實體切削仿真功能，動態仿真五軸加工過程機床各軸各機構運動關系，自動檢查工件、刀具、夾具與機床設備間是否干涉、是否超程并自動報警，解決了干涉碰撞的難點。然后利用軟件進行后置處理，將CAM 軟件生成的刀位軌跡轉化為適合數控系統加工的NC 程序，通過讀取刀位文件，根據機床運動結構及控制指令格式，進行坐標運動變換和指令格式轉換。全部刀具路徑準備好以后，傳輸到五軸機床上加工，加工結束后，工件如圖4 所示。

圖4 實體工件

3.結語

通過葉輪加工可見，在五軸加工中心僅需經過一次裝夾即可完成復雜形狀零件的加工。同時五軸機床具有OMV 在機檢測系統，監測被加工零件的質量，發現加工中出現的任何誤差，能盡快地將其修正，避免了葉輪傳統加工方法出現的加工缺陷，提高加工精度，降低加工難度，顯著縮短產品加工周期及加工成本，為眾多的葉輪加工解決方案起了拋磚引玉的作用。