D40整體鋁合金葉輪葉片關(guān)鍵加工技術(shù)研究

歐陽陵江，唐　琴，張　劍（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機械工程系，湖南長沙，410208）

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D40整體鋁合金葉輪葉片關(guān)鍵加工技術(shù)研究

歐陽陵江，唐琴，張劍
（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機械工程系，湖南長沙，410208）

［摘要］針對整體鋁合金葉片在加工中容易出現(xiàn)變形的問題，分析了產(chǎn)生加工變形的原因，總結(jié)出了一套從曲面編輯到工藝設計的全方面葉片加工變形控制方法。實際加工證明，此方法有效，能夠滿足實際需要。

［關(guān)鍵詞］薄壁葉片；曲面編輯；變形控制

D40整體鋁合金葉輪是高速氣浮主軸的關(guān)鍵部件，葉輪尺寸小，形狀復雜，表面質(zhì)量要求高，加工難度大。尤其是葉輪葉片高度12mm，葉片厚度僅1mm，加工過程中很容易發(fā)生加工變形、加工震紋、曲面失真等問題，從而使加工無法達到設計要求。葉片一旦變形，將影響氣浮主軸的氣動性能，而葉片之間的一致性差會影響氣浮主軸的動平衡性能，進而使氣浮主軸的使用壽命和可靠性降低。本文作者在葉輪加工過程中通過不斷探索、改進、總結(jié)與完善，最終得到了合格產(chǎn)品，解決了相關(guān)加工技術(shù)難題。

1　葉片曲面質(zhì)量對加工的影響與解決方法

1.1葉片曲面質(zhì)量與葉片加工的關(guān)聯(lián)。

整體葉輪加工一般由五軸數(shù)控機床通過五軸聯(lián)動的加工方式進行切削。葉片曲面在編程中需要負責刀具切削切觸點點位和刀具軸向控制等信息輸出。如果葉片在數(shù)字建模的過程中出現(xiàn)曲面不光順現(xiàn)象，將導致加工過程中刀軸出現(xiàn)劇烈擺動，造成葉片加工質(zhì) 量不一致甚至出現(xiàn)過切現(xiàn)象。圖1所示曲面對刀軸擺動的影響。

1.2葉片曲面的光順處理。

如同搭建房屋，房屋的建立需要框架，框架如果出了問題，則房子也會傾覆。曲面的構(gòu)建基礎在于曲線，曲線是控制葉片輪廓和保證曲面質(zhì)量的重要要素，控制曲線的質(zhì)量是保證曲面質(zhì)量的前提。曲線質(zhì)量的保證要遵循以下原則：（1）構(gòu)建曲面的曲線要盡可能的少。（2）曲線的曲率要盡可能的平緩，不能出現(xiàn)大的波動。如圖2所示，沒有調(diào)整前的曲線出現(xiàn)了曲率突變現(xiàn)象，通過調(diào)整后的曲線曲率變化則趨平緩，這有利于得到光順的曲面。

圖2　曲線曲率調(diào)整對比

（3）在曲線的結(jié)合部，要保證使用G2連續(xù)。

給定兩條曲線

如果在x=xt處

1）fa(xt)=fb(xt)，則這兩條曲線G0連續(xù)。

2）dfa(xt)/dt=dfb(xt)/dt（ 一階導數(shù)），則這兩條曲線

G1連續(xù)。

3）d2fa(xt)/dt^2=d2fb(xt)/dt^2（二階導數(shù)），則這兩條曲線G2連續(xù)。

如圖3所示構(gòu)建葉片曲線的三段曲線在保證G2連續(xù)后的曲率變化。

圖3　曲線的G2連續(xù)

圖4　反射條紋法檢查葉片曲面

曲面構(gòu)建后需要進行必要的檢查，使用高斯曲率法和反射條紋即斑馬紋法檢查曲面。在使用高斯曲率法時要保證曲面上的光色分布均勻，曲率變化柔和且過渡平滑。在使用反射條紋法檢查時要保證反射條紋清晰流暢、分布均勻無突變，尤其是無鋸齒狀突起，如圖4所示葉片曲面葉片通過反射條紋法檢測。通過檢查合格的曲面即是高質(zhì)量的曲面，可以用于數(shù)控編程。

2　工藝系統(tǒng)對葉片加工的影響與解決方法

2.1工藝系統(tǒng)與葉片變形的關(guān)聯(lián)。

工藝系統(tǒng)指由工件、刀具、夾具、機床所構(gòu)成的加工體系。它影響葉片形變的主要因素是切削力和受力震動。切削力導致受力變形的原因是：葉片是薄壁零件且鋁合金彈性模量為72GPa,是鋼的三分之一，在切削力的作用下會產(chǎn)生較大的變形和彈性恢復，這樣刀具就無法精確地去處余量，使葉片的輪廓失真。受力震動導致葉片形變的原因是：葉片具有長懸臂、低剛性特征，加工時會產(chǎn)生受力震動現(xiàn)象，這樣也會使葉片變形，并且震動會導致刀具在葉片加工表面形成加工震紋從而降低葉片表面質(zhì)量，也會使刀具快速磨損，使葉片表面一致性變差，而磨損導致頻繁的換刀又將加劇這一趨勢。

2.2葉片變形控制技術(shù)。

葉片變形的控制主要是控制切削力和加工應力導致的變形。

（1）加工應力的處理。整體葉輪切削余量大，大概每個整體葉輪完成切削后要去除70%以上的材料，大余料切削殘留的切削應力要在精加工前得到去除，具體方法是在粗加工和半精加工之間加入熱處理工藝。

（2）切削力的控制。切削力的控制要在數(shù)控加工工藝上采取措施。首先要控制加工的軸向切削深度和徑向切削寬度，以減低切削力。要實現(xiàn)這樣的加工方法就必須采用高速銑加工工藝，即大幅度提高加工線速度和切削進給，將切削深度和寬度控制在刀具直徑的1/50左右。提高切削線速度的額外效益是可以避開加工系統(tǒng)的固有頻率，可以抑制震動的產(chǎn)生。

其次是降低精加工的切削量并且保證精加工時的加工余量均勻。處理方法是，增加加工工步，在粗加工后增加二次開粗工步，在精加工前增加半精加工工步。二次開粗可以有效的去除開粗加工中殘留的過多余料減輕半精加工刀具切削力，而使用精加工相同的刀具完成半精加工可以給精加工留下均勻無差別的余料，可以避免因切削力突變導致的震動。另外在精加工中對切削參數(shù)進行準確控制也能很好地控制震動并且得到光順曲面，實驗表明當?shù)毒咔邢鏖g距、刀具每齒切削量及精加工余量三個加工參數(shù)取相等值的時候，葉片曲面可以得到均勻的表面切痕，同時在兩個切削方向上因為受力一致也能有效減輕震動。如圖5所示，三個切削要素統(tǒng)一后完成的加工曲面在放大100倍后刀具切削痕跡顯得整齊、細膩。

圖5　放大后的葉片表面切痕

圖6　混合分層刀路

最后是采用混合層切法提高精加工時葉片的剛性。所謂混合層切，就是把半精加工和精加工按層高輪流加工。刀軌設計時將葉片按長度方向分為若干層，使用不同的半精和精加工刀具輪流切削，如圖6所示。這種刀軌設計方式可以在精加工時獲得足夠的葉片剛性，減輕變形和震動，提高葉片輪廓精度和表面質(zhì)量。

3　結(jié)論

通過鋁合金整體葉輪長期的加工和研究，對葉輪加工各個環(huán)節(jié)可能造成的加工影響都進行了分析和探索，總結(jié)出了一套行之有效的葉片加工方法。積累了產(chǎn)品造型切削參數(shù)設置、刀具選型、工件定位等一系列數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，提高了從制造全局來分析問題和解決問題的能力。

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Research on Key Technology of D40 Integral Aluminum Alloy Impeller Blades

OUYANGLing- jiang,TANGQin,ZHANGJiang
(Hunan industrypolytechnic,Changsha410082,Hunan)

［Abstract］Aimingat solvingthe easydeformation ofintegral aluminumalloyblades in machiningoperations, this paper analyzes the reasons of processing deformation and summarizes the controlling methods of surface edit and technological design. The practical processingapproves that the methods are efficient and can satisfythe practical requirement.

［Key words］thin- walled blades；surface edit；deformation control

［作者簡介］歐陽凌江（1979-），男，湖南江華人，湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院講師，研究方向：機械設計與制造。

［基金項目］湖南省高等學校研究項目基金“氣浮主軸渦輪數(shù)控加工技術(shù)的研究”（項目編號：12C1031）。

［收稿日期］2015- 4- 21

［中圖分類號］V260.6

［文獻標識碼］A

［文章編號］1671- 5004（2015）03-0004-02