整體葉輪五軸數控加工工藝技術分析

張競龍

（廣州市工貿技師學院，廣州 510425）

本文中葉輪加工選用的機床是德國德馬吉DMU50五軸聯動加工中心，配置海德漢iTNC 530數控系統。機床屬于搖籃式結構，在三軸的基礎上附加了BC軸，擁有回轉擺動工作臺，能對零件進行全方位的高效加工。

葉輪根據結構形式分為3種，分別是閉式葉輪、半開式葉輪和開式葉輪[1]。閉式葉輪由前后蓋板和葉片組成。半開式葉輪由葉片和后蓋板組成。開式葉輪只有葉片與部分后蓋板或沒有后蓋板。加工整體葉輪前，需要對葉輪的結構分類、特點以及相關知識有一定的了解。葉輪是壓縮機、發動機的一種關鍵零件。氣體經過進氣管進入工作輪，在工作輪中氣體因受到葉片的作用力而使壓力升高，速度增加。因此，對整體葉輪的要求主要有兩個方面。一方面，氣體流過葉輪時損失要小，即氣體流經葉輪的效率要高；另一方面，葉輪型式能使整機性能曲線的穩定工況區及高效區范圍較寬。根據上述要求，整體葉輪的加工難點是輪轂面的加工和葉片型面的加工。為了加工出合格的葉輪，由最初的鑄造成型后修光發展到后來的石蠟精密鑄造，還有電火花加工等方法。但是，這些加工方法不僅加工效率低，而且加工精度或機械性能欠佳。隨著五軸加工技術的應用，以上問題都將得到很好的解決。

1 整體葉輪結構分析

本文的整體葉輪屬于開式葉輪，葉輪結構特點如圖1所示。葉輪輪轂為圓錐體，上圓Φ22 mm，下圓Φ36 mm，高度51 mm。中間有一個Φ25 mm的孔，鍵槽寬度為8 mm，葉輪最大直徑Φ185 mm，葉片長度65 mm。在圓錐面上均布十片葉片，葉片厚度不均，最小厚度為1 mm。

圖1 整體葉輪

加工整體葉輪的主要難點在于葉輪葉片面為自由曲面，曲率變化較大，葉片呈S型扭曲，葉片根部有R2圓角過渡。葉片數量多、流道窄，導致葉片之間的容刀空間很小，易出現加工刀具與葉片的干涉現象，加工難度較大[2]。同時，葉輪對尺寸精度、表面粗糙度等有著嚴格的要求，還要求刀紋要順著氣流流路的方向，以減少氣流的損耗。葉輪加工過程中，薄壁部分容易產生變形。因此，加工前要規劃好加工工藝和制定合適的加工方案，防止葉片加工過程中出現問題。根據以往的經驗，由于葉片的長度較長、厚度較薄，因此加工過程中很容易變形。經綜合考慮，需在整體葉輪的外圍上附加一個圓環，增強葉片的剛性，同時減少振動和變形，如圖2所示。完成加工后，再把圓環切除掉。

圖2 整體葉輪（附加圓環）

2 整體葉輪加工工藝規劃

2.1 葉輪坯體加工

加工材料為黃銅，毛坯尺寸為Φ200 mm×55 mm。為了減少五軸機床的上機時間，通常使用三軸數控機床對產品零件進行粗加工。本文利用三爪卡盤裝夾毛坯，通過銑削加工圓槽、方形凸臺、中心孔等，其余部分加工至葉輪的毛坯體，并保證葉輪毛坯體高度為葉輪總高度。葉輪中間的鍵槽是直角，無法通過常規加工獲得，需要外發線切割加工鍵槽，如圖3所示。在后續的五軸加工中，以方形凸臺和中心孔對葉輪毛坯體進行裝夾及定位。

圖3 葉輪毛坯體

2.2 整體葉輪粗加工

定義葉輪為加工對象，運用三軸加工方法，高效快速地去除零件的多余材料，加工出葉輪的基本輪廓，如圖4所示。

圖4 整體葉輪粗加工

2.3 葉輪流道粗加工

該過程的加工對象是葉輪流道區域，去除兩葉片之間的余量。采用3+2五軸定位加工方式，分別對10個葉輪流道進行粗加工，如圖5所示。

圖5 葉輪流道粗加工

2.4 過渡圓角清根加工

該過程主要加工輪轂與葉片之間的過渡圓角，清除葉片根部的余量，為葉片的加工做準備。選擇圓角曲面作為加工對象，選擇輪轂和相鄰葉片曲面作為干涉檢査幾何體。

2.5 葉片曲面半精加工

葉片加工是葉輪加工的重點。葉片曲面為自由曲面，流道窄，葉片扭曲比較嚴重，且有明顯的后仰趨勢。由于葉片的曲面不是可展直紋曲面，不可以直接采用側銑法加工。直接采用葉輪加工模塊進行加工時極易產生干涉，只能采用3+2五軸定位加工進行分段加工曲面[3]，同時保證加工表面的一致性，如圖6所示。

圖6 葉片曲面半精加工

2.6 葉片曲面精加工

葉片曲面精加工和葉片曲面半精加工方法基本相同，只是精加工采用較小的步距，便于提高加工表面質量。

2.7 葉輪輪轂精加工

葉輪輪轂位于葉片的根部，在加工時要避免與葉片產生干涉。采用3+2五軸定位加工，使用住復切削方式對輪轂曲面進行分段加工。

2.8 反面加工

組合工裝的圓柱為Φ200 mm×100 mm，頂部中間有一個M12的螺紋孔，底部有4個M10的螺紋孔。工裝板上有4個鍵槽，使用螺栓和螺帽把圓柱固定在工裝板的鍵槽上，如圖7所示。再利用一個螺栓和螺帽，對整體葉輪進行安裝，把葉輪零件固定在組合工裝上。工裝板先不要固定在機床的工作臺上，需使用百分表對圓柱進行找正，調整圓柱的回轉中心與工作臺上的回轉中心重合，重合后把工裝板固定在工作臺上。為了增強葉片的剛性，減少加工過程中出現的振動和變形，需利用石膏對葉輪底部進行填充[4]。反面加工方法跟正面的基本相同，填充石膏加工效果如圖8所示。

圖7 組合工裝

圖8 填充石膏加工效果圖

2.9 切除圓環

葉輪正反面完成加工后，使用螺旋走刀方式把圓環切除掉。螺旋走刀方式，葉片受力均勻，避免下刀位置經多次下刀受力變形[5]。加工圓環位置時，石膏起了一個很好的固定作用，減少了葉片的應力變形。

3 整體葉輪加工

五軸加工時很容易產生碰撞干涉。為保證五軸加工過程安全可靠，在上機加工前通過VERICUT仿真軟件進行仿真加工。在仿真軟件上構建仿真平臺，包括數控系統、機床型號、夾具、夾頭以及刀具等。為了更好地驗證加工效果，需使用實際加工時的工裝、加工工藝進行仿真加工，以檢驗葉輪加工過程中是否存在碰撞、過切等現象。通過仿真驗證后進入實際加工，整體葉輪加工效果如圖9和圖10所示。

圖9 整體葉輪加工效果一

圖10 整體葉輪加工效果二

4 結語

實踐證明，加工開式葉輪且葉片長度較長時，在葉輪外圍附加一個圓環和反面加工時填充石膏。兩者的配合使用，能增強葉輪加工的剛性，避免葉片的振動作用而導致振紋的產生。經過加工精度檢測，整體葉輪的加工精度和表面質量達到了使用要求。本文的加工工藝能滿足整體葉輪加工的相關技術要求，加工過程安排合理。加工工藝方案在數控加工中具有重要作用，只有在對零件結構分析的基礎上制定加工工藝方案，選用適用的裝夾方式，確定合理的加工參數，才能充分發揮五軸加工的優勢，獲得最佳的加工效果。