整體葉輪數(shù)控加工的工藝分析

摘要：本文介紹了整體葉輪加工部分的結(jié)構(gòu)特征，分析了葉輪加工的工藝難點(diǎn)和技術(shù)要求。通過(guò)加工，提高了分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為與企業(yè)的進(jìn)一步合作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：整體葉輪；葉片；加工工藝

一、葉輪概述

葉輪是動(dòng)力機(jī)械的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于船舶機(jī)械、石油化工、能源動(dòng)力以及航空航天等領(lǐng)域，其加工技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)中的一個(gè)重點(diǎn)課題。傳統(tǒng)葉輪采用分段式加工，即輪轂和葉片采用不同的毛坯，分別加工成形后，將葉片焊接在輪轂上。這種工藝既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又難以保證葉輪的機(jī)械性能。在采用整體式加工方法時(shí)，由于葉片是由非可展直紋面和自由曲面構(gòu)成的，形面復(fù)雜。為了提高整體葉輪的加工質(zhì)量和工效，滿足產(chǎn)品生產(chǎn)工藝要求，廣泛應(yīng)用五軸數(shù)控機(jī)床及CAD／CAM技術(shù)。利用多軸數(shù)控機(jī)床進(jìn)行葉輪加工，既可以保證刀具的球頭部分準(zhǔn)確切削工件，又可以利用其轉(zhuǎn)動(dòng)軸，使刀具的刀體或刀桿避讓開(kāi)工件其他部分，避免發(fā)生干涉或過(guò)切。

整體葉輪具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量種類(lèi)繁多、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響大、設(shè)計(jì)研制周期長(zhǎng)、制造工作量大等特點(diǎn)。加工整體葉輪時(shí)刀具軌跡規(guī)劃的約束條件比較多，相鄰葉片空間較小，加工時(shí)極易產(chǎn)生碰撞干涉，自動(dòng)生成無(wú)干涉刀位軌跡較困難。葉輪的五坐標(biāo)加工設(shè)計(jì)，國(guó)外一般采用整體葉輪的五坐標(biāo)加工專(zhuān)用軟件，例如美國(guó)NREC公司的MAX-5、MAX-AB葉輪加工專(zhuān)用軟件，瑞士Starrag數(shù)控機(jī)床整體葉輪加工模塊，OPEN MIND 公司Hypermill的葉片（含葉盤(pán)）、葉輪（含閉式葉輪）等航空航天專(zhuān)用模組，英國(guó)DELCAM公司的PowerMILL軟件等。目前，我國(guó)大多數(shù)生產(chǎn)葉輪的廠家采用國(guó)外大型CAD／CAM軟件，如UG NX、CATIA、MasterCAM等。我們采用的是UGS NX7.5軟件進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和自動(dòng)編程。

二、葉輪的結(jié)構(gòu)

葉輪主要由輪轂和葉片構(gòu)成，葉片包括壓力面、吸力面和包覆面，包覆面與壓力面和吸力面間變圓角過(guò)渡，如下圖所示。

葉輪結(jié)構(gòu)圖

相鄰葉片之間的輪轂稱(chēng)為流道，由根部曲線繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而成；葉輪蓋由頂部曲線繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而成。在整體葉輪的建模過(guò)程中，將葉片的建模放在流道和包覆面建模之后，并采用旋轉(zhuǎn)陣列的方式設(shè)計(jì)葉片，從而實(shí)現(xiàn)編程的對(duì)稱(chēng)性。

在加工葉輪過(guò)程中，不僅要保證葉片形狀，還要保證葉片的加工質(zhì)量。葉片型面加工可分為“線加工（側(cè)刃銑）”和“點(diǎn)加工（刀頭銑）”?！熬€加工”銑刀的側(cè)刃與葉片接觸，加工效率高，但由于葉片較薄，加工時(shí)回彈影響大，易變形，適于近似加工，精度低?！包c(diǎn)加工”使用銑刀底刃切削，加工時(shí)產(chǎn)生的變形小，加工精度高，但對(duì)于彎曲程度大的葉片，因葉片空間狹窄，加工過(guò)程中極易產(chǎn)生碰撞干涉。因此，在葉輪的整體加工中采用“點(diǎn)加工“與“線加工”相結(jié)合的方法。

三、葉輪加工工藝分析

1.葉輪加工的技術(shù)難點(diǎn)

本例中，需要對(duì)整體葉輪的流道、葉片和圓角等主要曲面進(jìn)行加工。加工流道需要去除大量余料。為了使葉輪滿足氣動(dòng)性的要求，葉片常采用大扭角、根部變圓角的結(jié)構(gòu)，這給葉輪的加工提出了更高的要求。根據(jù)本例具體情況，加工難點(diǎn)如下：

（1）流道過(guò)窄，葉片又薄又長(zhǎng)，屬于薄壁類(lèi)零件，剛度低，加工過(guò)程中極易變形，要合理選擇刀具和切削用量。

（2）流道最窄處的葉片深度超過(guò)刀具直徑8倍以上，相鄰葉片空間狹窄，在清角加工時(shí)刀具直徑小，易折斷，控制切削深度是關(guān)鍵。

（3）葉片為自由曲面，扭曲嚴(yán)重，并有明顯的后仰趨勢(shì)，加工時(shí)極易產(chǎn)生干涉，加工難度大。為了避免干涉，有的曲面要分段加工，因此很難保證加工表面的一致性。

（4）前緣圓角曲率半徑變化大，加工過(guò)程中，機(jī)床角度變化大，由于槽道窄，葉片高，變圓角的加工是個(gè)難點(diǎn)。

2.葉輪加工工藝

整體葉輪加工技術(shù)要求包括尺寸、形狀、位置、表面粗糙度等幾何方面的要求，也包括機(jī)械、物理、化學(xué)性能的要求。為了提高整體葉輪的強(qiáng)度，毛坯一般采用鍛壓件。葉輪葉片必須具有良好的表面質(zhì)量。精度一般集中在葉片表面、流道表面和葉根表面，表面粗糙度值應(yīng)小于Ra3.2μm，截面間的型面平滑過(guò)度，葉片的表面紋理要求一致，從而限制了走刀方向，也就限制了刀具軌跡。

整體葉輪在工作中為了降低噪聲，防止振動(dòng)，要求具有很高的動(dòng)平衡性能，所以在加工過(guò)程中要綜合考慮葉輪的對(duì)稱(chēng)問(wèn)題。在進(jìn)行CAD／CAM編程時(shí)，利用葉片，流道等關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸的對(duì)稱(chēng)性，采用對(duì)某一表面的加工來(lái)完成對(duì)相同加工內(nèi)容不同位置的操作，如本例對(duì)流道和葉片采用了旋轉(zhuǎn)陣列加工的操作。此外，要盡可能減小由于裝夾或換刀造成的誤差。

該葉輪采用五軸加工，優(yōu)點(diǎn)是僅需一次裝夾定位即能完成該零件的全部加工，采用不同規(guī)格硬質(zhì)合金的球頭刀或錐度球頭刀，本例中采用R6、R3球頭刀和R2全錐3°的錐度球銑刀。其加工工藝流程如下表所示。

（作者單位：渤海船舶職業(yè)學(xué)院）