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基於精雕係統的七級葉輪加工技術實踐

2024-3-7 來源：北京精雕科技集團有限公司作者：張歡龍

1. 序言

葉輪是渦輪增壓器最關鍵的零件之一，廣泛應用於航空、船舶、汽車和真空泵等行業的發動機中，其中七（qī）級葉片的複雜葉輪是渦輪分子泵內部的核心部件，而（ér）渦輪分子泵則（zé）廣泛應用於（yú）真（zhēn）空鍍膜（PVD）、半導體製造等行（háng）業（yè）中，這（zhè）些（xiē）行業需要在超高真空（kōng）環境（10-7Pa 以下（xià））中才能工作（zuò）。

考慮到葉片結構複雜、曲麵變化大以及精度高等特點，目前一般采用 Mastercam、PowerMill、UG及CATIA等國外軟件結合（hé）五軸聯動機床加工，這些五（wǔ）軸聯動機床（chuáng）一般采（cǎi）用海德（dé）漢、西門子等國外高檔數控係統。為打破國外軟件和數控係統在葉輪製造方麵的壟（lǒng）斷（duàn）地位，北京精雕科技（jì）集團有限公司（以下簡（jiǎn）稱北京精雕）開發了擁有自主（zhǔ）產權的 SurfMill 軟件以及北（běi）京精雕五軸聯動係統，並采用在線檢測、在線補償功能加工葉（yè）輪。

本文采用北京精雕（diāo）的 SurfMill 軟件造型（xíng）並采用 JDGR400 五（wǔ）軸聯動精雕機，對七級葉輪的五軸編程、工（gōng）藝規（guī）劃和實際加工進行探討與實踐。

2.七級葉輪結構及加工難點分析

七級葉輪（見圖 1）的基本（běn）特點 : 葉片分為7 級，共 249 個葉片，材料為 7075 鋁合金，尺寸f360mm×286mm。該零（líng）件上的葉片是由鋁（lǚ）合金整（zhěng）體加工而成（chéng），葉（yè）片加工完成後整體質（zhì）量 14kg。

圖（tú） 1 七級葉輪

經分（fèn）析，七級葉輪五軸聯動加工（gōng）的難點如下。

1）該葉片屬於典型的（de）薄壁件，葉片高度與厚度比＞ 30:1，葉片剛性（xìng）差，加工時受力易變形，極易產（chǎn）生振動，彈刀過切風（fēng）險很大。

2）相鄰葉片間距小，導致加工所需刀具（jù）最大長徑（jìng）比（bǐ）為 14:1（見圖 2），加（jiā）工時刀具的切削剛性差。

圖 2 刀具長徑比示意

3）葉片數量多達 249 個，葉片間距（jù）小，每一級之間距離小，刀具和葉片之間的安全距（jù）離最小隻有（yǒu） 2mm，加工時極易產（chǎn）生幹涉，如圖 3 所（suǒ）示。

圖 3 刀具與葉片幹涉示意

3.七級葉輪五軸加工工藝規劃

3.1 設備（bèi）及軟件的選用

葉輪加工設備需要有強大的運算能力，且加工時主軸轉（zhuǎn）速高、擺動角度範（fàn）圍大、聯動精（jīng）度高，本次選（xuǎn）用北（běi）京精雕的 JDGR400_A15SH 機床，配置在（zài）機測量係統、激光對刀儀等設備，並采用北京精雕自有的軟件（jiàn） SurfMill 進行建模和編程。

3.2 刀（dāo）具的選用

針對薄壁件，刀（dāo）具（jù）的選擇需（xū）要（yào）從（cóng）減小切削力的角（jiǎo）度出發，因此選（xuǎn）擇角度較（jiào）大的前角和後角、較大的螺旋角（見圖 4）來減小切削力 ; 刀具結（jié）構采用短刃刀具（見圖 5），錐度避空，提升刀具剛性 ; 塗層選用 DLC 塗層，塗層厚 1μm，提高刀具鋒利度，減小切削力，提高刀具壽命及長時（shí）間加工時的穩定性。

圖 4 大螺旋角

圖 5 錐度（dù）平底（dǐ）短刃刀具

3.3 加工工藝方案

針（zhēn）對（duì）長（zhǎng）徑比（bǐ）大的難題，為了（le）增加刀具的剛性，在（zài）深度上采（cǎi）用多把刀具分段加工的（de）方式，以保證切削剛性，提高（gāo）加工效率。刀具型號及加（jiā）工（gōng）參數見表 1。

表 1 刀具型號及加（jiā）工參（cān）數

3.4 編程加工方案

七級葉輪葉片數量多、間距小，刀具極易產生幹涉和過切。為避免在實際加工中出現問題，采用北京精雕的 DT 編程技術，在軟件中實現過（guò）切檢查、幹（gàn）涉檢查和機床模（mó）擬，在計算（suàn）機端確保（bǎo）加工程序的安全，從而避免機床實際加工中的過切、幹涉和碰撞等問題，如圖 6 所示。

a）刀具與（yǔ）工件幹涉（shè）示意

b）DT 仿真加工（gōng）

圖 6 葉（yè）輪加工模擬

DT 編程技術最大的特點就是改變原有的調試模式（shì），將原來需要在機床上進行的操作（包括試切加工、人為觀察過切和碰撞，以及機床行程檢測等），全部加載到計算機中進行，減少人員機床上的操作，減輕調試人員（yuán）的心理壓力（lì），降低調試（shì）出（chū）錯的成本，縮短產品（pǐn）調試周期。

4. 加工試驗及方案改進

按照規劃的方案進（jìn）行加工試驗，試製（zhì）結果見表 2。通過（guò）表 2 數據可看出，試製結果不滿足工藝要求，需要優化改進。

表（biǎo） 2 試製結果

4.1 方案優化改（gǎi）進（jìn）

經分析，需要從 4 個方（fāng）麵進行優化改進 : ①優化加工效率。②改善表麵質量。③改進夾持治具。④管控（kòng）毛坯精度。

1）利用 CAM 軟件優化葉片間連刀高度。第一階段為保證絕對的安全，將葉片之間（jiān）路徑安全位置設置在 Z 軸原點位置 ; 優化階段依（yī）靠 DT 編程技術，將刀具連刀高度抬至葉片最高高度之上30mm，加工時間縮短了 6.5h。

2）優化 T9、T10 刀具有效長度，增加刀具剛性。試製用的 T9、T10 刀（dāo）具有效長度過長（zhǎng），刀具剛性差，切削參數無法提升，嚴重影響加工效率。依靠（kào） D T 編程技術，精確計算 T9、T10 刀具所需的最短有效長度，從而提升刀具剛性，增加刀具切削用量，將（jiāng）葉輪加工時間縮短（duǎn）了 55min。

3）優化表麵質量，縮（suō）短人工處理時間。葉輪加工完成後，其（qí）葉片銳角（jiǎo）邊留下了大量的毛刺，需要手工清理，工作量較大，並且毛刺會影響工件整體動平衡性能，因此在加工時（shí）加入去毛刺程序，節省去毛刺的時間。另外（wài），在機測量刀具錐度，減輕不同刀具間的接刀痕，使用激光對刀儀準確測量刀具錐度和直（zhí）徑，將刀具偏差補償在加工路徑中，確保各刀具間的接刀痕＜ 0.008mm。

4.2 解決動平衡問題

對於產品的批量生產，動平衡振幅能否控製（zhì）在 5μm 以內是生產（chǎn）的關鍵。目前機床精度、溫度管控都是合格的，針對動平衡偏大問（wèn）題，經過分析判（pàn）斷，是治具錐麵和毛坯錐麵配合誤差較大，使得毛坯安裝後毛坯軸線傾斜引起的。毛坯（pī）軸向圓跳動＞ 0.04mm，直接（jiē）影響葉輪加工（gōng）後的動平衡（héng）。治具夾持如圖 7 所示。

圖（tú） 7 治具夾持（chí）示意

重新精磨治具，其錐（zhuī）度達到 5° 43′ 9″，毛坯安裝後跳動得到大幅改善，結果見表 3。

表 3 精磨治具後（hòu）跳動改善結果

4.3 曲麵加（jiā）工方案

葉（yè）片曲麵根據曲率可分為自由曲麵和直（zhí）紋（wén）曲麵（miàn），自由曲麵采用五軸點銑方式加工，直紋曲（qǔ）麵采用（yòng）五（wǔ）軸側銑方式加（jiā）工，如圖 8 所示。

圖 8 曲麵加工方式示意

在 SurfMill 中建模和編（biān）程。分層粗加工如圖9 所示，流道精加工如（rú）圖 10 所示。

圖 9 分層粗加工

圖 10 流道精加工

4.4 改進後的實際加工驗證

利用（yòng） DT 技術和軟件編程，優化了（le）刀（dāo）路和加（jiā）工程序，避（bì）免了幹涉，消除（chú）了動平衡（héng），提高了加工效率，同（tóng）時零件的加工質量得到提升。加工後的零件如（rú）圖 11 所示，經檢測，達到了葉輪尺寸精度和表麵粗糙度的要求。

圖 11 加工後的七級葉輪

5. 結束語

本文在分析七級葉輪結構特點和加（jiā）工難點的基礎上，對機床選用、刀具選擇、工藝修正以及治具（jù）改進（jìn）等（děng）做了深入分析。為提高效率，避免幹涉，采用（yòng）北京（jīng）精雕（diāo）特有的 DT 技術（shù）進行模擬校正，並通過（guò）試件的研製，優化一係列（liè）工藝參數，最（zuì）後在北京精雕五軸聯動機床上完成七級葉輪的加工，加工精度、表麵（miàn）粗糙度以及動平衡等都符合要求，給（gěi）類似的葉輪及（jí）複雜零件的加工提供了參考。

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