高溫合金精鍛渦輪葉片加工方案

初永春

中車大連機(jī)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(tǒng)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(jī)渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展，柴油機(jī)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(fā)的一款增壓器最高膨脹比達(dá)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(jī)床的加工成本也偏高。

隨著高溫合金材料精鍛技術(shù)的發(fā)展，目前葉片葉身型面已經(jīng)能精密鍛造成型（見圖1），但在葉片的進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(tǒng)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(jìn)出氣邊新工序進(jìn)行研究分析，由于葉片的進(jìn)出氣邊需要圓角過渡，對過渡形線精度要求嚴(yán)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(guī)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(shù)有兩個：葉片加工工裝和四軸葉片進(jìn)出氣邊曲面加工程序編制。本文通過應(yīng)用UG軟件的三維建模、裝配驗證和程序編制功能，分析產(chǎn)品和機(jī)床的特性，設(shè)計了一款定位準(zhǔn)確、夾持可靠的四軸加工中心的旋轉(zhuǎn)工裝，編制了四軸加工中心的葉片加工程序，解決了工裝設(shè)計和編程中出現(xiàn)的問題，使程序編制更精準(zhǔn)合理，加工效率和穩(wěn)定性更高。

2 毛坯、機(jī)床、刀具和軟件

（1）毛坯 葉片曲面位置已經(jīng)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(jī)床 對DMG MORI的DMC63V立式加工中心更新改造，加裝第四軸（旋轉(zhuǎn)軸A軸），改造后的四軸加工中心如圖2所示，數(shù)控系統(tǒng)采用FANUC 0iMD。

圖2 改造后的四軸加工中心

（3）刀具 因葉片進(jìn)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(lán)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(shè)計

3.1 加工狀態(tài)分析

1）葉片的進(jìn)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(fù)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(zhǔn)，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(xiàn)不規(guī)律應(yīng)力回彈變形，造成鍛造毛坯與設(shè)計三維模型出現(xiàn)偏差，加工編程需要按設(shè)計模型編制程序加工刀具軌跡，使葉片進(jìn)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(jìn)出氣邊曲面為空間曲面，需要采用四軸聯(lián)動插補(bǔ)加工，保證工裝可以旋轉(zhuǎn)，并保證工裝旋轉(zhuǎn)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(lián)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(lián)動加工，工裝需要具有旋轉(zhuǎn)軸心和角度位置校正基準(zhǔn)。

8）葉片工裝為旋轉(zhuǎn)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(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的連接剛性。

3.2 工裝夾具設(shè)計方案

1）工裝采用圓形主體（見圖3），保證可旋轉(zhuǎn)加工并具備旋轉(zhuǎn)軸心和角度位置校正基準(zhǔn)，工裝與機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸連接，利用機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的卡盤和頂尖，采用一夾一頂?shù)姆绞剑ＷC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(jìn)行旋轉(zhuǎn)軸線定位，保證葉片與工裝旋轉(zhuǎn)軸線定位準(zhǔn)確，定位槽采用補(bǔ)銅后加工，保證工裝不出現(xiàn)過定位情況。

圖4 工裝V形定位槽

3）經(jīng)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(cè)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(zhǔn)，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(shè)計一個連接上模，并在上模板上攻螺紋。根據(jù)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(jù)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(xiàn)不規(guī)律應(yīng)力，產(chǎn)生回彈變形，造成鍛造毛坯與設(shè)計三維模型出現(xiàn)偏差。經(jīng)多批次檢驗論證，其回彈變形量在0.15mm以內(nèi)，可以達(dá)到設(shè)計及使用要求，但在加工中，其不規(guī)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(zhǔn)確銜接，造成表面質(zhì)量下降，無法達(dá)到技術(shù)要求。在葉片曲面位置按葉片設(shè)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(xiàn)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(wěn)定夾持葉片，保證加工生產(chǎn)。

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(shè)置加工坐標(biāo)系MCS

啟動UG軟件，打開葉片毛坯模型，進(jìn)入加工模塊，首先將坐標(biāo)系設(shè)置到工件榫齒下面中心位置（見圖9），然后再回轉(zhuǎn)工作臺（A軸）回轉(zhuǎn)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(biāo)系建立）。

圖9 加工坐標(biāo)系

4.2 創(chuàng)建加工驅(qū)動曲面

為保證刀具軌跡的編程準(zhǔn)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(qū)域驅(qū)動加工方式編制程序。因為只加工葉片進(jìn)出氣邊曲面，而不是葉片片身的全部曲面，驅(qū)動曲面不能使用葉片模型的片身曲面，所以需創(chuàng)建兩個曲面片體用來驅(qū)動加工，編程輔助曲面（見圖10）保證與葉片模型進(jìn)出氣邊曲率等參數(shù)相同，并結(jié)合葉片模型飛邊位置，保證其大于需加工區(qū)域。

圖10 編程輔助曲面

4.3 刀具參數(shù)設(shè)置

選擇創(chuàng)建刀具（也可在刀具庫中調(diào)用），按實際加工刀具規(guī)格設(shè)置參數(shù)（見圖11），創(chuàng)建編程刀具，刀具將直接影響程序刀具軌跡，必須保證參數(shù)正確。

圖11 刀具參數(shù)設(shè)置

4.4 編程主要參數(shù)設(shè)置

加工部件體選擇葉片模型（不能使用葉片毛坯模型），驅(qū)動曲面選擇創(chuàng)建的輔助編程曲面，切削區(qū)域不選，投影矢量選擇垂直于驅(qū)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(qū)動體，并調(diào)整側(cè)傾角度和旋轉(zhuǎn)角度，保證在不與工裝發(fā)生干涉的情況下避開刀具中心切削，側(cè)傾角度設(shè)置為20°，旋轉(zhuǎn)角度－10°，前傾角度0°（四軸加工不能有前傾角度），旋轉(zhuǎn)軸選擇X軸。

4.5 程序模擬驗證

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

圖12 加工程序模擬驗證

5 結(jié)束語

通過分析產(chǎn)品和機(jī)床特性，運用UG軟件，設(shè)計一款定位準(zhǔn)確、夾持可靠的四軸加工中心旋轉(zhuǎn)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(xiàn)的問題，以使工裝定位準(zhǔn)確、夾緊可靠，程序編制更精準(zhǔn)合理，加工效率和穩(wěn)定性更高。試制葉片經(jīng)掃描確認(rèn)，葉片各項技術(shù)參數(shù)符合技術(shù)設(shè)計要求，一致性良好，現(xiàn)已批量生產(chǎn)使用。經(jīng)統(tǒng)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(chǎn)周期，降低了產(chǎn)品的加工成本，也為日后相關(guān)產(chǎn)品的加工生產(chǎn)積累了寶貴經(jīng)驗。