三元葉輪在五軸聯(lián)動加工中心3+2軸銑削工藝研究

沈陽鼓風機集團有限公司 (遼寧 110869) 劉 磊

三元葉輪作為透平機械的核心轉(zhuǎn)動部件，是一種具有代表性且造型比較規(guī)范的、典型的通道類復雜零件 (見圖1)，其特征形狀明顯，葉片的吸力面和壓力面形狀涉及到空氣動力學、流體力學等多個學科，其加工難點主要表現(xiàn)在:①葉輪的葉片形狀復雜，其葉片多為非可展扭曲直紋面，只能五軸數(shù)控銑制或者電解加工。②由于葉輪葉片的厚度較薄，在加工過程中會產(chǎn)生彈塑性變形而很容易發(fā)生過切現(xiàn)象。③葉輪大多工作在腐蝕性較強的介質(zhì)和高速旋轉(zhuǎn)做功的情況下，葉輪旋轉(zhuǎn)時具有很高的線速度，因此多選擇不銹鋼、高溫鎳基合金或鈦合金等難加工材料。

圖1 具有較多葉片個數(shù)的三元葉輪示意圖

新使用的高進給銑削方法主要是使用進口硬質(zhì)合金刀具和五軸機床定軸加工來實現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)的三元葉輪加工使用國產(chǎn)高速鋼刀具五軸聯(lián)動側(cè)刃銑削時所產(chǎn)生的難題:零件加工周期長且機床切削力大，容易造成機床主軸頭損毀，同時由于高速鋼刀具的韌性好，刀具振動很容易造成葉片過切。

針對離心壓縮機大直徑的三元葉輪，使用新的高進給銑削方法通過五軸聯(lián)動的數(shù)控機床3+2軸固定刀軸空間矢量的方法，大幅度提高了五軸數(shù)控機床的剛性，從而減少了在切削過程中產(chǎn)生的振動;再結(jié)合使用帶有CVD化學涂層和PVD物理涂層的硬質(zhì)合金銑刀，通過刀具商在大進給銑刀上切削力和切削角度的優(yōu)化設計，通過“小切深，大進給”的銑削方法，可以大幅度提高加工零件的金屬去除率，從而提高了葉輪的加工效率。由于切削過程中產(chǎn)生的振動極小，從而降低了數(shù)控機床主軸頭的故障率，并大大延長了五軸數(shù)控加工中心的正常使用壽命。

1.五軸聯(lián)動數(shù)控機床3+2軸粗加工銑削關鍵點

三元葉輪是由直紋面和自由曲面兩種類型葉輪構(gòu)成的。傳統(tǒng)的三元葉輪加工方法是由HSS高速鋼銑刀采取流道分層側(cè)銑葉輪通道的方法，由輪蓋到輪盤逐層銑削加工。由于高速鋼的刀具線速度較低，其耐熱性和壽命也較低，同時銑削過程中會產(chǎn)生很大的切削力，在五軸聯(lián)動數(shù)控機床上用高速鋼銑刀銑削加工時無法體現(xiàn)五軸聯(lián)動的高效性。當五軸聯(lián)動的數(shù)控機床處于3+2軸的工作狀態(tài)時，機床的兩個旋轉(zhuǎn)軸處于鎖死的狀態(tài)，只有X、Y、Z 3個直線軸電動機進行銑削移動，這時五軸機床處于最佳的機床剛性狀態(tài)，在切削過程中會大幅度降低產(chǎn)生的振動 (見圖2)。

我公司是國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)離心壓縮機的公司，目前加工過的最大直徑的三元葉輪是1480 mm三元葉輪，葉輪材料為17－4PH不銹鋼鍛件，三元葉片為11組長短葉片，其中葉片進口處最深達320 mm，出口深度達120 mm。毛坯料重達6 t，銑削加工后只有2.5 t。對于如此大的三元葉輪，采取高速鋼分層側(cè)刃銑削流道的方法，需要3個月的加工周期，而采用新的3+2軸定軸銑削的方法，則僅需要加工1個月。

圖2 五軸數(shù)控加工中心3+2軸銑削三元葉輪示意圖

2.使用硬質(zhì)合金大進給銑刀提高金屬去除率的關鍵點

大直徑三元葉輪粗加工銑制時采用硬質(zhì)合金刀頭和減振刀桿，葉輪材料為不銹鋼鍛件，其相應使用的硬質(zhì)合金刀片的線速度最大可達到140 m/min。加工時將五坐標加工中心的兩個旋轉(zhuǎn)軸鎖定，利用X、Y、Z直線軸中的兩個或三個聯(lián)動切削 (見圖3)。該方法為大進給、小切深的高速型腔銑。加工時刀具的剛性最大，機床的扭矩最小，減少了加工時機床產(chǎn)生的振動。對于五軸聯(lián)動數(shù)控中心A、B軸的角度合理選取，主要取決于葉輪的扭曲程度，以及編程員的技術(shù)水平。對于此種大直徑的三元葉輪，銑削的重點和難點在于要克服銑刀的長徑比極限，當銑削刀具的長度過長時，刀具的剛性大幅度下降，容易產(chǎn)生切削振動。對于普通的銑削刀具，L/D=6時是刀桿軸向長度的極限。在加工大直徑葉輪時，我們采用了專業(yè)的防振減振刀桿，其內(nèi)部的接口結(jié)構(gòu)為三角軸和三角孔的capto專利結(jié)構(gòu)，Capto刀柄的聯(lián)接機構(gòu)特征是采用端面與多邊形錐面定位夾緊，能夠確保在高速加工條件下保持接觸面積，從而獲得優(yōu)良的高剛性。在刀桿使用上，也做到因地制宜，加工葉片頂部時，采用短刀桿，提高切削效率;加工葉片根部時，采用的長刀桿為重金屬防振刀桿，以解決因刀具長徑比大而引起的刀具剛性不足問題。

圖3

3.葉片精加工的關鍵點

葉片精加工的關鍵點如圖4所示。

圖4

對于表面粗糙度要求較高的三元葉片，可以采用硬質(zhì)合金刀具，進行分層銑削加工。對于表面粗糙度要求不高的葉片，也可以使用HSS銑刀進行側(cè)刃成形銑削。

4.結(jié)語

使用此種加工方法可以提高數(shù)控機床的剛性和降低切削時產(chǎn)生的振動，大幅度提高機床的切削進給率，提高生產(chǎn)效率，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，帶來顯著的經(jīng)濟效益。此法同樣適用于航空航天領域難加工的鈦合金和高溫鎳基合金材料。