基于精雕系統(tǒng)的七級(jí)葉輪加工技術(shù)實(shí)踐

揭曉，張歡龍

1.臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院 浙江臺(tái)州 318020

2.北京精雕科技集團(tuán)有限公司 北京 102308

1 序言

葉輪是渦輪增壓器最關(guān)鍵的零件之一，廣泛應(yīng)用于航空、船舶、汽車和真空泵等行業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，其中七級(jí)葉片的復(fù)雜葉輪是渦輪分子泵內(nèi)部的核心部件，而渦輪分子泵則廣泛應(yīng)用于真空鍍膜（PVD）、半導(dǎo)體制造等行業(yè)中，這些行業(yè)需要在超高真空環(huán)境（10-7Pa以下）中才能工作?？紤]到葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜、曲面變化大以及精度高等特點(diǎn)，目前一般采用Mastercam、PowerMill、UG及CATIA等國(guó)外軟件結(jié)合五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工，這些五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床一般采用海德漢、西門子等國(guó)外高檔數(shù)控系統(tǒng)。為打破國(guó)外軟件和數(shù)控系統(tǒng)在葉輪制造方面的壟斷地位，北京精雕科技集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱北京精雕）開發(fā)了擁有自主產(chǎn)權(quán)的SurfMill軟件以及北京精雕五軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，并采用在線檢測(cè)、在線補(bǔ)償功能加工葉輪[1]。

本文采用北京精雕的SurfMill軟件造型并采用JDGR400五軸聯(lián)動(dòng)精雕機(jī)，對(duì)七級(jí)葉輪的五軸編程、工藝規(guī)劃和實(shí)際加工進(jìn)行探討與實(shí)踐。

2 七級(jí)葉輪結(jié)構(gòu)及加工難點(diǎn)分析

七級(jí)葉輪（見圖1）的基本特點(diǎn)：葉片分為7級(jí)，共249個(gè)葉片，材料為7075鋁合金，尺寸φ360mm×286mm。該零件上的葉片是由鋁合金整體加工而成，葉片加工完成后整體質(zhì)量14kg。

圖1 七級(jí)葉輪

經(jīng)分析，七級(jí)葉輪五軸聯(lián)動(dòng)加工的難點(diǎn)如下。

1）該葉片屬于典型的薄壁件，葉片高度與厚度比＞30∶1，葉片剛性差，加工時(shí)受力易變形，極易產(chǎn)生振動(dòng)，彈刀過切風(fēng)險(xiǎn)很大。

2）相鄰葉片間距小，導(dǎo)致加工所需刀具最大長(zhǎng)徑比為14∶1（見圖2），加工時(shí)刀具的切削剛性差。

圖2 刀具長(zhǎng)徑比示意

3）葉片數(shù)量多達(dá)249個(gè)，葉片間距小，每一級(jí)之間距離小，刀具和葉片之間的安全距離最小只有2mm，加工時(shí)極易產(chǎn)生干涉，如圖3所示。

圖3 刀具與葉片干涉示意

3 七級(jí)葉輪五軸加工工藝規(guī)劃

3.1 設(shè)備及軟件的選用

葉輪加工設(shè)備需要有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，且加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速高、擺動(dòng)角度范圍大、聯(lián)動(dòng)精度高，本次選用北京精雕的JDGR400_A15SH機(jī)床，配置在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、激光對(duì)刀儀等設(shè)備，并采用北京精雕自有的軟件SurfMill進(jìn)行建模和編程。

3.2 刀具的選用

針對(duì)薄壁件，刀具的選擇需要從減小切削力的角度出發(fā)，因此選擇角度較大的前角和后角、較大的螺旋角（見圖4）來(lái)減小切削力；刀具結(jié)構(gòu)采用短刃刀具（見圖5），錐度避空，提升刀具剛性；涂層選用DLC涂層，涂層厚1μm，提高刀具鋒利度，減小切削力，提高刀具壽命及長(zhǎng)時(shí)間加工時(shí)的穩(wěn)定性[2]。

圖4 大螺旋角

圖5 錐度平底短刃刀具

3.3 加工工藝方案

針對(duì)長(zhǎng)徑比大的難題，為了增加刀具的剛性，在深度上采用多把刀具分段加工的方式，以保證切削剛性，提高加工效率。刀具型號(hào)及加工參數(shù)見表1。

表1 刀具型號(hào)及加工參數(shù)

3.4 編程加工方案

七級(jí)葉輪葉片數(shù)量多、間距小，刀具極易產(chǎn)生干涉和過切。為避免在實(shí)際加工中出現(xiàn)問題，采用北京精雕的DT編程技術(shù)，在軟件中實(shí)現(xiàn)過切檢查、干涉檢查和機(jī)床模擬，在計(jì)算機(jī)端確保加工程序的安全，從而避免機(jī)床實(shí)際加工中的過切、干涉和碰撞等問題，如圖6所示。

圖6 模擬切削與加工實(shí)物

圖6 葉輪加工模擬

DT編程技術(shù)最大的特點(diǎn)就是改變?cè)械恼{(diào)試模式，將原來(lái)需要在機(jī)床上進(jìn)行的操作（包括試切加工、人為觀察過切和碰撞，以及機(jī)床行程檢測(cè)等），全部加載到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，減少人員在機(jī)床上的操作，減輕調(diào)試人員的心理壓力，降低調(diào)試出錯(cuò)的成本，縮短產(chǎn)品調(diào)試周期。

4 加工試驗(yàn)及方案改進(jìn)

按照規(guī)劃的方案進(jìn)行加工試驗(yàn)，試制結(jié)果見表2。通過表2數(shù)據(jù)可看出，試制結(jié)果不滿足工藝要求，需要優(yōu)化改進(jìn)。

表2 試制結(jié)果

4.1 方案優(yōu)化改進(jìn)

經(jīng)分析，需要從4個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：①優(yōu)化加工效率。②改善表面質(zhì)量。③改進(jìn)夾持治具。④管控毛坯精度。

1）利用CAM軟件優(yōu)化葉片間連刀高度。第一階段為保證絕對(duì)的安全，將葉片之間路徑安全位置設(shè)置在Z軸原點(diǎn)位置；優(yōu)化階段依靠DT編程技術(shù)，將刀具連刀高度抬至葉片最高高度之上30mm，加工時(shí)間縮短了6.5h。

2）優(yōu)化T9、T10刀具有效長(zhǎng)度，增加刀具剛性。試制用的T9、T10刀具有效長(zhǎng)度過長(zhǎng)，刀具剛性差，切削參數(shù)無(wú)法提升，嚴(yán)重影響加工效率。依靠DT編程技術(shù)，精確計(jì)算T9、T10刀具所需的最短有效長(zhǎng)度，從而提升刀具剛性，增加刀具切削用量，將葉輪加工時(shí)間縮短了55min。

3）優(yōu)化表面質(zhì)量，縮短人工處理時(shí)間。葉輪加工完成后，其葉片銳角邊留下了大量的毛刺，需要手工清理，工作量較大，并且毛刺會(huì)影響工件整體動(dòng)平衡性能，因此在加工時(shí)加入去毛刺程序，節(jié)省去毛刺的時(shí)間。另外，在機(jī)測(cè)量刀具錐度，減輕不同刀具間的接刀痕，使用激光對(duì)刀儀準(zhǔn)確測(cè)量刀具錐度和直徑，將刀具偏差補(bǔ)償在加工路徑中，確保各刀具間的接刀痕＜0.008mm。

4.2 解決動(dòng)平衡問題

對(duì)于產(chǎn)品的批量生產(chǎn)，動(dòng)平衡振幅能否控制在5μm以內(nèi)是生產(chǎn)的關(guān)鍵。目前機(jī)床精度、溫度管控都是合格的，針對(duì)動(dòng)平衡偏大問題，經(jīng)過分析判斷，是治具錐面和毛坯錐面配合誤差較大，使得毛坯安裝后毛坯軸線傾斜引起的。毛坯軸向圓跳動(dòng)＞0.04mm，直接影響葉輪加工后的動(dòng)平衡[3]。治具夾持如圖7所示。

圖7 治具夾持示意

重新精磨治具，其錐度達(dá)到5°43′9″，毛坯安裝后跳動(dòng)得到大幅改善，結(jié)果見表3。

表3 精磨治具后跳動(dòng)改善結(jié)果

4.3 曲面加工方案

葉片曲面根據(jù)曲率可分為自由曲面和直紋曲面，自由曲面采用五軸點(diǎn)銑方式加工，直紋曲面采用五軸側(cè)銑方式加工[4]，如圖8所示。

圖8 曲面加工方式示意

在SurfMill中建模和編程。分層粗加工如圖9所示，流道精加工如圖10所示。

圖10 流道精加工

4.4 改進(jìn)后的實(shí)際加工驗(yàn)證

利用DT技術(shù)和軟件編程，優(yōu)化了刀路和加工程序，避免了干涉，消除了動(dòng)平衡，提高了加工效率，同時(shí)零件的加工質(zhì)量得到提升。加工后的零件如圖11所示，經(jīng)檢測(cè)，達(dá)到了葉輪尺寸精度和表面粗糙度的要求。

圖11 加工后的七級(jí)葉輪

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析七級(jí)葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床選用、刀具選擇、工藝修正以及治具改進(jìn)等做了深入分析。為提高效率，避免干涉，采用北京精雕特有的DT技術(shù)進(jìn)行模擬校正，并通過試件的研制，優(yōu)化一系列工藝參數(shù)，最后在北京精雕五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床上完成七級(jí)葉輪的加工，加工精度、表面粗糙度以及動(dòng)平衡等都符合要求，給類似的葉輪及復(fù)雜零件的加工提供了參考。