試論閉式導(dǎo)葉輪的數(shù)控加工工藝

金東學(xué)

（延邊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 裝備制造與智能控制系，吉林 延吉 133000）

閉式導(dǎo)葉輪具有深流道、窄空間的結(jié)構(gòu)特點，使得加工制造具有較高的難度。傳統(tǒng)的石蠟精密鑄造法、電火花加工法等雖然也有一定的技術(shù)優(yōu)勢，但是加工所得產(chǎn)品存在機械強度和精度較差，無法滿足閉式導(dǎo)葉輪的長期、穩(wěn)定運行要求。多軸聯(lián)動數(shù)控加工工藝可以兼顧閉式導(dǎo)葉輪的加工效率和加工質(zhì)量，是目前綜合應(yīng)用效果較好的技術(shù)形式之一。掌握工藝流程及其核心技術(shù)，對提高閉式導(dǎo)葉輪加工質(zhì)量和延長設(shè)備使用壽命有積極幫助。

1 閉式導(dǎo)葉輪的數(shù)控加工流程及其關(guān)鍵技術(shù)

1.1 工藝流程

閉式導(dǎo)葉輪的數(shù)控加工主要分為粗銑、半精銑、精銑三個環(huán)節(jié)，整個工藝流程，見圖1。

圖1 閉式導(dǎo)葉輪的加工流程

在粗車、粗銑流道工序中設(shè)置工藝流量時，應(yīng)考慮熱套密封環(huán)工序中的加熱、退火操作對工件帶來的變形影響，并保證“變形量＜工藝流量”。在半精銑時，其余量設(shè)置由精銑環(huán)節(jié)中刀具的剛性以及工件加工面的成型精度、表面粗糙度來決定?？紤]到閉式導(dǎo)葉輪的形狀不規(guī)則，因此加工中配合使用車工和銑工兩種工藝。在處理導(dǎo)葉輪回轉(zhuǎn)面、回轉(zhuǎn)體時，選擇數(shù)控車銑工藝，不僅提高了加工效率，而且能夠保證回轉(zhuǎn)面的粗糙度好，加工精度高。在處理復(fù)雜曲面時，選擇數(shù)控銑削，可靈活適應(yīng)不同曲面，保證工件型線的光順性、流線性良好[1]。

1.2 刀具的選擇

選擇刀具時應(yīng)綜合考慮毛坯余量、材料類型、剛性與耐用度等多種因素，銑削刀具包括端銑刀、球頭刀、插銑刀以及三面刃等若干類型，不同刀具的規(guī)格和組成存在差異。例如插銑刀的刀具直徑為32 mm，直刀伸長＞200 mm，由強力刀柄、刀體和刀片3 部分組成；而端銑刀的刀具直徑有18 mm、24 mm 兩種規(guī)格，直刀伸長＞180 mm，由強力刀柄、合金接桿、刀體和刀片4部分組成。具體見圖2。

圖2 閉式導(dǎo)葉輪加工用的主要刀具

選擇可用于閉式導(dǎo)葉輪加工的刀具時，應(yīng)考慮兩個關(guān)鍵因素：其一是“R＜ρ”，即刀具半徑不超過工件輪廓內(nèi)側(cè)彎曲的最小曲率半徑。如果ρ 值較小，通常是先使用大直徑刀具進(jìn)行粗加工，然后再使用合適刀具進(jìn)行殘留余量的精加工，或者手工打磨，使其滿足加工要求。其二是“L/R=5～7”，即刀具長徑比在5～7 之間。如果刀具長徑比＜5，會導(dǎo)致加工效率不高；相反，刀具長徑比＞7 甚至是超過臨界值10，在加工中會出現(xiàn)明顯的切削振動，加速刀具磨損并且影響工件表面質(zhì)量。

2 閉式導(dǎo)葉輪數(shù)控加工關(guān)鍵工藝分析

2.1 深流道加工技術(shù)

深流道加工中所用刀具為特固克TT9030 型刀片，涂層成分為TiAIN（碳氮化鈦），可適用于不銹鋼、耐熱合金等毛坯材料的加工?？紤]到刀具的長徑比較大，加工期間容易出現(xiàn)變形情況進(jìn)而影響加工精度，因此必須要采取刀具補償措施。圖3 為刀具加工深流道時的受力示意圖，可以看出加工位置為斜率較大的曲面，如果刀具剛性不足，會出現(xiàn)明顯的“讓刀”情況，導(dǎo)致加工精度不足。目前常用的方法是采取在線監(jiān)測方式，實時采集深流道加工中的讓刀量，然后根據(jù)精確測量結(jié)果，重新進(jìn)行數(shù)控編程并進(jìn)行相應(yīng)的精度補償。定量補償曲面的加工余量后，使深流道加工的精度和效率都得到進(jìn)一步的提升。

圖3 深流道加工刀具受力分析

在具體的加工模式上，選擇“按切削深度分段加工”模式，具體操作為：首先選用80 mm 的短刀，在流道開放處進(jìn)行粗加工；當(dāng)進(jìn)刀達(dá)到流道封閉區(qū)域后，將短刀退出，替換成長度為200 mm 的長刀，繼續(xù)完成剩余流道封閉區(qū)域的加工。這樣一來，將深流道加工分成了開放區(qū)域和封閉區(qū)域兩段，并且分別選擇了不同的刀具，設(shè)置了不同的切深、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，對提高深流道加工效率也有顯著效果[2]。

2.2 刀具振動的減緩措施

2.2.1 控制切削深度

閉式導(dǎo)葉輪加工中，切削深度與每齒進(jìn)刀量、切削體積之間為正相關(guān)關(guān)系。因此實際加工中，通過適當(dāng)減小切削深度，可以同步降低每齒進(jìn)刀量，相應(yīng)的主軸功率、切削力也會降低，加工期間刀具的振動也會明顯減輕。當(dāng)然，選擇不同類型的刀具，以及不同的加工區(qū)域，適宜的切削深度也存在差異。例如，選擇刀徑為32 mm的端銑刀，在流道開放區(qū)域進(jìn)行切削加工時，適宜的切削深度為0.6 mm～0.8 mm。如果取最低切削深度0.6 mm，可以達(dá)到理想的刀具減振效果。同樣的，選擇刀徑為24 mm 的端銑刀，在流道封閉區(qū)域進(jìn)行切削加工時，適宜的切削深度為0.3 mm～0.5 mm，取最低切削深度0.3 mm，能夠達(dá)到刀具減振目的。

2.2.2 恒定線速度

無論加工何種類型的工件，只有使刀片與工件的相對速度（即刀具線速度）保持相對恒定，才能達(dá)到最佳切削狀態(tài)。但是在實際加工中，由于材料密度不均勻，或者加工面的曲率變化等因素的影響，使得刀具與工件接觸點的回轉(zhuǎn)直徑會不斷地變化。結(jié)合刀具線速度公式：

式中,d 表示刀尖的回轉(zhuǎn)直徑，單位為mm；n 表示主軸轉(zhuǎn)速，單位為r/min。由式（1）可知刀具線速度取決于回轉(zhuǎn)直徑和主軸轉(zhuǎn)速。當(dāng)工件曲率發(fā)生變化時，d 值也會相應(yīng)變化，如果n 值不變，則刀具切削線速度也會發(fā)生動態(tài)變化，這種情況下就會引起切削不穩(wěn)定、刀具振動的情況。針對這一問題，可以按照曲面曲率將加工區(qū)域劃分成若干個子區(qū)域，保證回轉(zhuǎn)直徑足夠??；然后根據(jù)每個子區(qū)域的曲面曲率特征設(shè)定合適的主軸轉(zhuǎn)速，從而保證刀具線速度維持在相對恒定狀態(tài)。以刀徑為24 mm的球頭刀加工0～90°變化的曲面為例，將整個加工曲面等分成3 個子區(qū)域。其中，在0～30°區(qū)域內(nèi)，刀尖的接觸點與刀尖頂點十分接近，此時回轉(zhuǎn)直徑較小，根據(jù)式（1）可知，此時應(yīng)將主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至高速，從而維持刀具線速度恒定；在30°～60°區(qū)域內(nèi)，回轉(zhuǎn)直徑增加，此時將主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為中速；在60°～90°區(qū)域內(nèi)，回轉(zhuǎn)直徑較大，此時主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為低速[3]。

2.2.3 調(diào)節(jié)每齒進(jìn)給量

刀具的切削力不平衡是導(dǎo)致刀具振動的一個主要原因。而切削力的平衡性主要取決于進(jìn)給方向、每齒進(jìn)給量等因素，切削力（fz）的計算公式為：

式（2）中，Vf表示進(jìn)給速度，單位為mm/min；Z 表示銑刀齒數(shù)；n 表示主軸轉(zhuǎn)速，單位為r/min。在進(jìn)給方向未改變的情況下，刀具每齒進(jìn)給量變化，會引起刀具切削受力與主軸功率的變化，進(jìn)而引起刀具切削力不平衡。針對這一問題，可使用數(shù)控機床的控制軟件加以解決。例如，使用OMAT 自適應(yīng)控制系統(tǒng)，收集大量的機床切削參數(shù)，以供計算機進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，從而自動生成刀具進(jìn)給速度的調(diào)控程序。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實時監(jiān)測到的主軸功率變化信號，調(diào)用程序自動生成最佳的進(jìn)給速度參數(shù)，并將該指令發(fā)送至前端，控制刀具按照該參數(shù)運行，從而實現(xiàn)高效、穩(wěn)定切削[4]。

2.3 分段分片側(cè)銑加工技術(shù)

現(xiàn)階段閉式導(dǎo)葉輪的數(shù)控加工工藝主要有側(cè)銑、端銑兩種。端銑有助于提高葉片曲面的加工精度，但是加工速度相對較慢；側(cè)銑雖然能夠獲得較高的加工效率，但是無法消除曲面加工誤差，完成加工后工件表面粗糙度較差。因此，對于加工要求較高的閉式導(dǎo)葉輪，單獨使用端銑或側(cè)銑均難以達(dá)到理想的加工效果。本文提出了一種以分段分片側(cè)銑方法，采用“離散直紋面逼近”原理，分三個步驟完成自由曲面的加工：步驟一：選擇一組離散的線段，最佳逼近待加工的工件曲面。步驟二：使離散線段插值為直紋面，并確保所有線段均落在直紋面上。步驟三：調(diào)整直紋面，使該曲面盡量逼近目標(biāo)曲面?；谏鲜鲈恚\用分段分片側(cè)銑加工方式，提高直紋面的擬合精度，從而兼顧工件表面加工質(zhì)量和整體加工效率。在分段分片側(cè)銑加工處理下葉片凸面刀位軌跡，見圖4。在使用分段分片側(cè)銑加工時，還應(yīng)關(guān)注以下技術(shù)要點：第一是側(cè)銑刀位計算誤差的控制。由于閉式導(dǎo)葉輪的流道曲面為非可展直紋面，通過擬合多組近似直紋面去逼近流道曲面，必然會產(chǎn)生逼近誤差。對于此類情況，需要在側(cè)銑加工中密切關(guān)注刀軸與工件之間形成的實際接觸線的變化情況，只有保證實際接觸線始終與理論接觸線重合，才能將逼近誤差控制在允許范圍內(nèi)。第二是合理設(shè)定分段分片次數(shù)。雖然理論上來說，增加分段數(shù)、分片數(shù)會縮小加工誤差，但是會增加刀位軌跡規(guī)劃的工作量，影響加工效率。因此，需要綜合考慮加工精度、加工效率等因素，合理確定分段數(shù)、分片數(shù)，以保證最佳的加工效果。

圖4 葉片凸面分段銑刀刀位軌跡

2.4 閉式導(dǎo)葉輪加工結(jié)果

閉式導(dǎo)葉輪的數(shù)控加工結(jié)束后，還要對成品進(jìn)行質(zhì)量檢測。檢測內(nèi)容主要包括流道型線檢測和表面粗糙度檢測。將檢測結(jié)果與圖紙設(shè)計要求進(jìn)行對比，確保加工所得產(chǎn)品與要求一致。

2.4.1 流道型線檢測

流道型線檢測使用的是溫澤HL108 型三坐標(biāo)檢測機，該儀器自帶Metrosoft CM 測量軟件，可實現(xiàn)對流道型線的自動、精確測量。檢測步驟為：收集閉式導(dǎo)葉輪的相關(guān)參數(shù)，并將參數(shù)文件導(dǎo)入Metrosoft CM 軟件中，這樣就能在軟件中同步生成工件的數(shù)字三維模型。使用基準(zhǔn)球校正高精度測頭，利用一個定位面和該定位面上的2 個銷孔，構(gòu)建測量坐標(biāo)系。從閉式導(dǎo)葉輪模型的葉片曲面上選擇需要檢測的區(qū)域，進(jìn)行誤差檢測。檢測完畢后，該軟件會自動生成一份流道型線檢測報告。從報告結(jié)果來看，接受檢測的閉式導(dǎo)葉輪，流道開放區(qū)域型線加工精度為0.02 mm，符合圖紙設(shè)計中不超過0.05 mm 的要求；流道封閉區(qū)域加工精度為0.15 mm，符合圖紙設(shè)計中不超過0.20 mm 的要求。由此可見，對于閉式導(dǎo)葉輪采用分段分片側(cè)銑數(shù)控加工，可以保證導(dǎo)葉輪的葉片型線誤差滿足要求[5]。

2.4.2 外表粗糙度檢測

觀察數(shù)控銑削加工后的閉式導(dǎo)葉輪產(chǎn)品，可以發(fā)現(xiàn)在其表面有刀具切削產(chǎn)生的刀花。雖然并不明顯，但是表面粗糙度達(dá)不到設(shè)計圖紙的要求。因此，在完成銑削加工后又增設(shè)了一道打磨拋光工序，然后進(jìn)行表面粗糙度檢測。該檢測使用TIME300 型表面粗糙度儀，檢測精度可達(dá)0.01 μm，最大取樣長度2.5 mm。在閉式導(dǎo)葉輪的兩個葉片表面分別隨機選取3 個位置點進(jìn)行粗糙度檢測，結(jié)果見表1。

表1 閉式導(dǎo)葉輪葉片表面粗糙度檢測結(jié)果

結(jié)合表1 數(shù)據(jù)可知，數(shù)控加工完成的閉式導(dǎo)葉輪葉片，其粗糙度在1.34 μm～1.82 μm 之間；經(jīng)過打磨拋光處理后，其表面粗糙度有明顯提升，整體維持在0.57 μm～0.92 μm 之間。通過數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，側(cè)銑加工后再配合使用打磨拋光工藝，對進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)葉輪的數(shù)控加工質(zhì)量有積極幫助。

3 結(jié)論

多軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)零部件的制造中。在閉式導(dǎo)葉輪的數(shù)控加工中，需要從刀具選型、刀具補償、刀具減振等方面加強工藝管理，從而提高數(shù)控加工質(zhì)量。同時，根據(jù)閉式導(dǎo)葉輪的結(jié)構(gòu)特點，使用分片分段側(cè)銑加工，相比于常規(guī)的端銑加工可以獲得更高的表面精度，具有推廣應(yīng)用價值。