高溫合金精鍛渦輪葉片加工方案

初永春

中車大連機車研究所有限公司 遼寧大連 116041

1 序言

渦輪葉片是增壓器的核心部件，葉片的性能直接影響增壓器的性能。傳統的葉片成型方式有兩種——精密鑄造成型和鍛造成型。精密鑄造成型的葉片葉身不用加工，僅磨削加工榫齒即可。但是鑄造成型的葉片性能低，適用于膨脹比低（壓比低）的增壓器。隨著柴油機渦輪增壓技術的發展，柴油機輸出功率越來越高，要求的增壓器膨脹比也越來越高。新研發的一款增壓器最高膨脹比達到6.0，要求葉片采用鍛造成型才能滿足增壓器的性能要求。鍛造成型的葉片中有一種加工方法是葉片留4mm以上的加工余量，采用五軸加工中心銑削加工葉片葉身型面。這種方法加工的葉片精度較高，但加工效率低，高溫合金材料屬于難加工材料，大量的加工余量造成加工刀具成本大幅增加，而且五軸機床的加工成本也偏高。

隨著高溫合金材料精鍛技術的發展，目前葉片葉身型面已經能精密鍛造成型（見圖1），但在葉片的進出氣邊位置會留有鍛造飛邊，需要去除。葉片主要加工工序是先銑削加工葉片進出氣邊的鍛造飛邊，然后用加工后的葉片片身曲面定位夾持，通過緩進磨床工序完成葉片根部榫齒加工，再以榫齒定位夾持，通過線切割機床切割去除葉片端部的工藝定位點。其中除了銑削加工葉片進出氣邊工序為鍛造葉片獨有的新加工工序，其他工序都為傳統的葉片加工工序或相對簡單的工序。

圖1 精鍛葉片毛坯及成品葉片

本文主要針對加工難度及成本較高的銑削加工葉片進出氣邊新工序進行研究分析，由于葉片的進出氣邊需要圓角過渡，對過渡形線精度要求嚴格，增加了加工難度。為降低加工成本，采用四軸加工中心完成葉片鍛造飛邊加工（常規四軸加工中心的加工費是五軸加工中心的1/5）。四軸加工中心加工精密鍛造葉片飛邊的主要核心技術有兩個：葉片加工工裝和四軸葉片進出氣邊曲面加工程序編制。本文通過應用UG軟件的三維建模、裝配驗證和程序編制功能，分析產品和機床的特性，設計了一款定位準確、夾持可靠的四軸加工中心的旋轉工裝，編制了四軸加工中心的葉片加工程序，解決了工裝設計和編程中出現的問題，使程序編制更精準合理，加工效率和穩定性更高。

2 毛坯、機床、刀具和軟件

（1）毛坯 葉片曲面位置已經精密鍛造成型，留有4mm飛邊需要加工去除，留有R5mm、長5mm的工藝定位點（見圖1）。

（2）機床 對DMG MORI的DMC63V立式加工中心更新改造，加裝第四軸（旋轉軸A軸），改造后的四軸加工中心如圖2所示，數控系統采用FANUC 0iMD。

圖2 改造后的四軸加工中心

（3）刀具 因葉片進出氣邊為圓形曲面加工，并考慮到工裝干涉問題，采用8mm球頭銑刀，通過刀具試加工對比，采用兩支藍幟LC630T 45A球頭銑刀完成粗、精加工。

（4）軟件 使用UG軟件完成工裝的三維建模、裝配模擬驗證、二維加工圖樣生成、葉片加工程序編制及加工刀具路線模擬驗證等工作。

3 葉片加工工裝設計

3.1 加工狀態分析

1）葉片的進出氣邊加工是葉片加工的第一道工序，葉片所有位置都由鍛造完成，葉片全部由曲面和斜面組成，重復定位精度會存在偏差。

2）葉片兩端需留有工藝定位點，葉片上端定位點在中心線向左下10°方向平行偏移3.5mm，定位點為R5mm、長5mm，因工藝定位點過小，可用于輔助定位校準，不能用于主定位裝夾使用。

3）葉片片身曲面比較薄，精密鍛造開模后會出現不規律應力回彈變形，造成鍛造毛坯與設計三維模型出現偏差，加工編程需要按設計模型編制程序加工刀具軌跡，使葉片進出氣邊加工曲面與葉片片身曲面因誤差造成欠切或過切。

4）葉片片身比較薄，其材料為高溫合金，存在加工剛性不足的問題。

5）葉片進出氣邊曲面為空間曲面，需要采用四軸聯動插補加工，保證工裝可以旋轉，并保證工裝旋轉軸線與葉片模型中心軸線完全重合。

6）葉片采用四軸加工中心通過四軸聯動加工，在保證加工剛性的同時，保證加工刀具無干涉。

7）葉片采用四軸加工中心通過四軸聯動加工，工裝需要具有旋轉軸心和角度位置校正基準。

8）葉片工裝為旋轉式工裝，存在懸伸過長的問題，需保證工裝的剛性和工裝與機床旋轉軸的連接剛性。

3.2 工裝夾具設計方案

1）工裝采用圓形主體（見圖3），保證可旋轉加工并具備旋轉軸心和角度位置校正基準，工裝與機床旋轉軸連接，利用機床旋轉軸的卡盤和頂尖，采用一夾一頂的方式，保證換模簡單高效，并保證加工剛性。

2）工裝兩端按葉片工藝定位點位置加工兩處V形定位槽（見圖4），對葉片與工裝進行旋轉軸線定位，保證葉片與工裝旋轉軸線定位準確，定位槽采用補銅后加工，保證工裝不出現過定位情況。

圖4 工裝V形定位槽

3）經過多次三維掃描對比和測量分析，葉片毛坯誤差最小位置為葉片大端榫槽兩側錐面，將此位置作為工裝主定位夾持部位。工裝按毛坯形狀加工相符合的凹槽，作為工裝主定位基準，兩端錐面可保證葉片徑向定位，在凹槽前段加兩個定位凸臺保證葉片軸向定位（見圖5）。

圖5 工裝軸向定位

4）工裝設計一個連接上模，并在上模板上攻螺紋。根據葉片曲面角度，采用螺栓壓緊方式解決工件夾緊問題，并根據刀具軌跡的加工程序去除工裝加工干涉位置（見圖6）。

圖6 工裝上模

5）葉片片身比較薄，其材料為高溫合金，存在加工剛性不足，并且精密鍛造開模后會出現不規律應力，產生回彈變形，造成鍛造毛坯與設計三維模型出現偏差。經多批次檢驗論證，其回彈變形量在0.15mm以內，可以達到設計及使用要求，但在加工中，其不規則變形直接影響葉片的加工部位與葉片的不加工部位無法準確銜接，造成表面質量下降，無法達到技術要求。在葉片曲面位置按葉片設計模型加工出輔助支撐曲面（見圖7），輔助支撐曲面形狀按葉片葉背三維模型加工完成，保證可與葉片葉背曲面完全貼合（見圖8），并無干涉存在。如葉片出現回彈變形情況，可通過上模板的多點位螺栓壓緊，校正葉片變形，保證葉片葉背曲面完全貼合工裝輔助支撐曲面，保證葉片加工剛性，同時穩定夾持葉片，保證加工生產。

圖7 工裝輔助支撐曲面

圖8 葉片工裝剖面

4 葉片加工程序編制

4.1 設置加工坐標系MCS

啟動UG軟件，打開葉片毛坯模型，進入加工模塊，首先將坐標系設置到工件榫齒下面中心位置（見圖9），然后再回轉工作臺（A軸）回轉中心，并將X軸零點位置偏移到工裝后端面（方便加工中坐標系建立）。

圖9 加工坐標系

4.2 創建加工驅動曲面

為保證刀具軌跡的編程準確，減少加工中的空刀路，提高加工效率至最高，采用多軸加工模塊（mill_multi-axis）中的曲面區域驅動加工方式編制程序。因為只加工葉片進出氣邊曲面，而不是葉片片身的全部曲面，驅動曲面不能使用葉片模型的片身曲面，所以需創建兩個曲面片體用來驅動加工，編程輔助曲面（見圖10）保證與葉片模型進出氣邊曲率等參數相同，并結合葉片模型飛邊位置，保證其大于需加工區域。

圖10 編程輔助曲面

4.3 刀具參數設置

選擇創建刀具（也可在刀具庫中調用），按實際加工刀具規格設置參數（見圖11），創建編程刀具，刀具將直接影響程序刀具軌跡，必須保證參數正確。

圖11 刀具參數設置

4.4 編程主要參數設置

加工部件體選擇葉片模型（不能使用葉片毛坯模型），驅動曲面選擇創建的輔助編程曲面，切削區域不選，投影矢量選擇垂直于驅動體。因刀具中心位置切削性能較差，為提高刀具使用壽命，刀軸選擇相對于驅動體，并調整側傾角度和旋轉角度，保證在不與工裝發生干涉的情況下避開刀具中心切削，側傾角度設置為20°，旋轉角度－10°，前傾角度0°（四軸加工不能有前傾角度），旋轉軸選擇X軸。

4.5 程序模擬驗證

生成刀具軌跡后，選擇確認，進行刀具軌跡模擬，可采用刀軌播放確定刀軌各位置狀態（見圖12），用3D模擬加工后部件狀態，然后用過切檢測功能確認程序刀軌過切狀態。

圖12 加工程序模擬驗證

5 結束語

通過分析產品和機床特性，運用UG軟件，設計一款定位準確、夾持可靠的四軸加工中心旋轉工裝，以及編制四軸加工中心的葉片加工程序，解決葉片加工中出現的問題，以使工裝定位準確、夾緊可靠，程序編制更精準合理，加工效率和穩定性更高。試制葉片經掃描確認，葉片各項技術參數符合技術設計要求，一致性良好，現已批量生產使用。經統計，葉片加工成本比五軸加工葉片降低了78%以上，效率提高約2.5倍，保證了生產周期，降低了產品的加工成本，也為日后相關產品的加工生產積累了寶貴經驗。