整體鈦合金葉輪的加工難點及多軸數(shù)控銑工藝要點

1、引言

葉輪是一種由復(fù)雜曲面構(gòu)成的機械零件，是對小型燃?xì)廨啺l(fā)動機等動力機械性能影響最大的核心部件。通常小型燃?xì)廨啺l(fā)動機葉輪為整體葉輪，其葉片的形狀是機械加工中最難成型的曲面，因此其加工一直是困擾工程技術(shù)人員的難題。隨著人們對葉輪在流體中受力的研究，葉輪的葉片也從開始的徑向直葉片發(fā)展為帶有后彎和前傾的扭曲葉片。再加上新型葉輪的葉片長而薄，從加工工藝角度來看，為機械加工提出了更具挑戰(zhàn)性的難點。為了能夠精確地加工出形狀復(fù)雜的葉輪，現(xiàn)在廣泛采用高性能四五軸聯(lián)動的數(shù)控機床來完成葉輪的加工。然而高性能四五軸聯(lián)動的數(shù)控機床一般都是從國外引進，價格昂貴，其加工費用較高。另外整體葉輪的加工一般周期長、效率低，往往造成其加工成本很高。如何提高整體葉輪加工效率，降低制造成本，是葉輪加工行業(yè)工程技術(shù)人員的研究重點。

鈦合金以其優(yōu)良的機械性能被廣泛地作為葉輪的材料，但鈦合金在機械加工中屬難加工材料。采用鈦合金的新型整體葉輪加工，難度都較大，另外，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣對發(fā)動機的性能又有決定性的影響。如何能高效率地研制出質(zhì)量優(yōu)良的整體鈦合金葉輪是值得研究的問題。

2、加工難點分析

本文所研究的整體鈦合金葉輪加工精度要求較高，尺寸精度為 IT6 級，表面粗糙度為 R a 1.6。葉片曲面為自由曲面，其曲率變化大。葉輪流道狹窄，極易發(fā)生加工刀具與臨近葉片碰撞干涉的問題。葉片較長，超過50mm，葉片厚度較薄，最厚的部位也只有 2.8mm，在加工過程中極易引起振動，影響表面加工質(zhì)量。如圖 1。

葉輪材料為TC4鈦合金，其切削性能較差。同時鈦合金的彈性模量小（大約是 45#鋼的 1/2），在加工過程中很小的切削力就會產(chǎn)生較大的變形，容易出現(xiàn)粘刀、讓刀、啃刀的現(xiàn)象，使工件的表面質(zhì)量、幾何精度難以保證。鈦合金材料的加工往往選用較低的切削參數(shù)，其加工效率一般很低。采用鈦合金材料的整體葉輪的加工效率較其他材料更低。

葉輪的加工大體分為葉片粗開槽、葉片粗加工和葉片精加工三個步驟完成。葉片粗開槽主要是去除葉片間的大部分材料，葉片精加工則是保證葉片形狀和表面質(zhì)量。由于此葉輪的葉片處于懸臂狀態(tài)，精加工時葉片剛性不足，很容易發(fā)生彈性變形，使葉片精銑時處于十分不穩(wěn)定的切削狀態(tài)。

a. 此葉輪葉片為自由曲面，在精加工時必須采用點銑加工。點銑加工刀具切削角度隨時變化，造成切削力變化頻繁，且方向也不確定。很容易使葉片在刀具的隨機激勵力下產(chǎn)生劇烈的強迫振動，在葉片上留下嚴(yán)重振紋，影響表面加工質(zhì)量；

b. 精加工時的葉片剛性不足，使點銑過程中很小的切削力就會造成葉片讓刀，影響葉片型面的精度。合理確定葉片精加工余量，保證葉片剛性，以及選擇合適的精加工刀具參數(shù)，減小切削力，是解決不穩(wěn)定切削狀態(tài)的主要途徑。

本文所研究的整體葉輪的加工難點在于銑加工工序，一般銑加工工序占整個加工總工時的 80%以上，同時銑加工質(zhì)量直接影響著葉輪的性能。如何提高銑加工效率和葉片成型質(zhì)量是本文討論的重點。

3、多軸數(shù)控銑加工工藝要點

整體葉輪銑加工工藝一般為：葉輪粗開槽，去大余量；葉片半精銑，輪轂面粗掃底；葉片精銑，輪轂精掃底。

為了提高葉輪的加工效率和加工質(zhì)量，結(jié)合本文提到葉輪的特點以及我們在葉輪加工方面積累的經(jīng)驗，實際安排銑加工工藝為：葉輪粗開槽；葉片精銑，葉輪輪轂面精掃底。

與前面相比，這種安排去掉了葉片半精銑和輪轂面粗掃底，從理論上節(jié)省了 1/3 的銑加工工時。

本文要加工的葉輪材料利用率只有 8.5%，其中葉輪粗開槽是去除材料的主要工序，大約能去除 1/3 的材料。由于粗開槽工序去除材料量較大，使材料內(nèi)部應(yīng)力釋放，造成應(yīng)力變形，影響葉輪的幾何尺寸。實際加工測量表明，葉輪開槽后孔的尺寸大約變化為0.02mm。如何保證嚴(yán)格的尺寸精度，減小應(yīng)力變形的影響，則必須考慮銑加工工序的合理安排。為了獲得嚴(yán)格的尺寸精度，在葉輪的粗精銑之間安排了精車序，以避免葉輪應(yīng)力釋放變形而產(chǎn)生的尺寸變化。實際加工表明，此種安排能夠消除葉輪粗開槽造成的應(yīng)力變形，獲得嚴(yán)格的尺寸精度。

葉輪粗開槽考慮的重點是加工效率和成本，一般盡量選用低檔的四軸聯(lián)動數(shù)控機床來實現(xiàn)粗開槽。另外在粗開槽時選擇合適的精銑切削余量，設(shè)法加強葉片剛性，確定合適的切削用量，對精加工的難度和質(zhì)量有著重要的意義。本文通過改進粗開槽路徑及工藝參數(shù)，較大地提高了葉輪粗開槽的效率，使粗開槽后葉輪的狀態(tài)更適合于精加工。在精加工時，選擇合適的加工刀具和切削參數(shù)，在高轉(zhuǎn)速高進給的情況下，提高了整體鈦合金葉輪的加工效率和加工質(zhì)量。

4、毛坯粗加工刀位規(guī)劃

粗加工是以快速切除毛坯余量為目的，其考慮的重點是加工效率。盡量使刀具以大進給量，盡可能大的切削深度工作，以便在較短的時間內(nèi)切除盡可能多的材料。粗加工對表面質(zhì)量要求不高。開槽時應(yīng)盡量選擇大尺寸刀具，以改善切削性能，提高切削效率。

另外由于該葉輪在工藝安排上取消了半精加工，同時考慮到葉輪精加工時不穩(wěn)定的切削狀態(tài)，這就對粗開槽后葉輪的狀態(tài)提出了適合于精加工的嚴(yán)格的要求。

首先，粗加工后葉片的余量不宜太小。由于鈦合金彈性模量小，硬度又相對較高，加之葉片剛性較差，因此粗開槽后的留量不能太小。一方面會影響葉片的成型精度和表面質(zhì)量，甚至尺寸精度；另一方面會縮短刀具壽命。同時也不宜太大，否則較難獲得高質(zhì)量表面粗糙度。根據(jù)經(jīng)驗，余量一般在 2～4mm 之間。

其次，粗開槽后的余量一定要均勻，避免葉片上的余量有突然變化，否則精加工時在余量突變處由于葉片變形不一致，產(chǎn)生過渡痕跡，影響表面質(zhì)量。再次，葉片表面的余量要盡可能做成塔形，即余量從葉片頂部到葉片根部逐漸增加，來增強葉片的剛性。塔形余量的葉片具有較強的剛性，可以減輕精加工時引起的振動。

根據(jù)以上對整體葉輪開槽提出的要求，現(xiàn)對以下幾種開槽路徑規(guī)劃進行介紹：

a. 將葉輪臥壓在機床上，適合于從軸向看葉片沒有重疊且沒有扭曲的葉輪，否則會使開槽去除毛坯余量不徹底，不能達到去除流道間余量的目的；

b. 對根據(jù)余量偏移后的葉片進行仿型銑削。這種方式留量均勻，但開槽過程中，銑削偏移后的葉片時總有半圈是整個刀具（球頭和側(cè)刃）參加切削，使切削進給率不能提高，且影響刀具壽命；

c. 針對以上兩種開槽方式的缺點，本文提出根據(jù)葉輪流道方向逐層由上而下建立刀路，通過控制每層在流道間的加工面積來實現(xiàn)在葉片上的留量，同時可根據(jù)加工面積的不同來實現(xiàn)在葉片上的余量成塔形，從而保證葉片剛性。圖 2 為仿真模擬加工完成后的情況。

三種粗加工方式比較如表 1。

表 1 三種粗加工方式表

本文采用沿流道逐層開槽的方式。實際加工表明該方式具有效率高，開槽后葉片余量均勻，同時保證葉片具有足夠的剛性。另外該方式對刀具刃長要求較短，可避免過長的刀刃參加切削，切削力小。刀具干涉少，排屑情況好，冷卻充分。

由于鈦合金加工過程中爬坡銑時存在啃刀現(xiàn)象，因此切削進給率不能很高。爬坡銑時的切削條件極不穩(wěn)定，刀具接近中心處由于線切削速度幾乎為零，因此極易發(fā)生崩刃。實際加工表明，存在爬坡銑的情況下，向上銑的刀具壽命優(yōu)于向下銑。向上銑刀具中心不參加切削，刀具不易發(fā)生啃刀和崩刃，因此應(yīng)該采用向上銑。圖 3 為啃刀情況示意圖。

為了避免啃刀和粗開槽全過程頻繁抬刀，在建立刀路過程中，使流道的上幾層刀路與 XY 平面平行，采用等高銑刀具路徑。下幾層刀路由下而上走刀，采用向上銑刀具路徑。通過對刀具路徑進行后置處理，最終在低檔四軸聯(lián)動機床上實現(xiàn)了葉輪的粗開槽。圖4 為葉輪開槽過程和產(chǎn)品實物。

5、葉片精加工和輪轂面精掃底

葉片精加工和輪轂面精掃底是葉輪加工的重點部分，其加工精度和表面質(zhì)量對葉輪的性能影響很大。采用 UG 的可變軸輪廓銑對葉片精加工進行編程，切削方式采用順銑，每層加工步長 0.3mm，表面粗糙度為 0.01mm。圖 5 為葉片精銑刀路軌跡。

輪轂面精掃底采用ZIG-ZAG雙向往復(fù)切削方式，使刀路沿流道方向雙向往復(fù)加工。該切削方式的特點是切削過程中順銑逆銑交替進行，其加工效率高。圖6 為輪轂面精掃底刀路軌跡。

6、葉輪精加工刀具和切削參數(shù)的選擇

在實際加工中，由于精銑加工存在不穩(wěn)定的切削狀態(tài)，因此刀具參數(shù)的合理選擇和加工參數(shù)的匹配，對鈦合金葉輪的加工效率、表面質(zhì)量有重要影響。在精加工時解決不穩(wěn)定切削狀態(tài)的一個重要途徑是選擇合適的精加工刀具。根據(jù)鈦合金的加工特點和我們在鈦合金加工方面的經(jīng)驗，其精加工刀具材料一般選用細(xì)晶粒硬質(zhì)合金 YL10.2。鈦合金加工刀具后角的選擇是最關(guān)鍵的。適當(dāng)增大后角可以提高刀具的耐用度，但同時會發(fā)生崩刃的現(xiàn)象，一般選擇 8°～10°。

前刀面與材料的接觸面小，則前刀面的磨損小，應(yīng)選擇較小前角，前角取值應(yīng)在 10°以內(nèi)。螺旋角對刀具前角有較大的影響，增大螺旋角可以提高刀具實際切削前角，這樣可以避免因前角過大而降低刀具強度，又可以減小切削力，提高刀具壽命。根據(jù)經(jīng)驗，加工鈦合金刀具螺旋角應(yīng)在 30°～40°之間。實際加工表明葉輪精加工刀具的輪廓度對葉片的成型質(zhì)量有重要影響，若刀具實際廓形與理論廓形相差較大，在精加工時會將刀具廓形誤差反映在葉片上，影響葉片型面的成型質(zhì)量，因此必須對葉輪精加工刀具的廓形進行嚴(yán)格的控制。

對加工質(zhì)量和效率有重要影響的另一因素是切削參數(shù)的匹配和機床的選擇。本文采用哈默 C40U 五軸數(shù)控機床進行葉輪的加工，轉(zhuǎn)速選擇 10000rin/min，進給率 900mm/min。最終高效率地加工出表面質(zhì)量較好的鈦合金整體葉輪。圖 7 為在哈默 C40U 上加工完后的產(chǎn)品實物。

7、結(jié)束語

葉輪的加工主要是在昂貴的多軸高性能數(shù)控機床上進行的，如何降低成本，提高效率和質(zhì)量是工程技術(shù)人員研究的重點。本文結(jié)合某鈦合金整體葉輪的加工過程，調(diào)整工藝流程，提出一種新的粗加工刀路規(guī)劃，在五軸高速銑床上高轉(zhuǎn)速、高進給地實現(xiàn)了葉輪的加工。實際加工表明，該方案能高效率、高質(zhì)量地完成鈦合金整體葉輪的加工。

a. 本文重點介紹了粗開槽階段的刀位規(guī)劃。分析和比較了三種粗開槽方式的優(yōu)缺點，提出了沿流道方向逐層由上而下進行開槽的方法。該方法具有開槽效率高，留量均勻，開槽后葉片的剛性好，更適合精加工的優(yōu)點；

b. 在葉輪精加工時選擇合理的刀具參數(shù)和切削參數(shù)，最終采用哈默 C40U 五軸高速加工中心，用高轉(zhuǎn)速、高進給實現(xiàn)了高效率、高質(zhì)量的加工。

參考文獻

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