基于鈦合金葉輪的高效加工技術(shù)的工藝分析及應(yīng)用

陳曉棟 范利娟

（南京模擬技術(shù)研究所，江蘇 南京 210016）

0 引言

鈦合金被廣泛用于制造發(fā)動機(jī)葉輪熱端部件，鈦的強(qiáng)度是鋁的1.3倍，鎂合金的1.6倍，不銹鋼的3.5倍。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，僅是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25。切削區(qū)散熱慢，不利于熱平衡，在切削加工過程中，散熱和冷卻效果很差，易于在切削區(qū)形成高溫，加工后零件變形回彈大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快，耐用度降低。因此，使用鈦合金制造葉輪零件的加工難度較大，成本較高。該文通過定制刀具和合理的工藝路線以及使用高速加工設(shè)備來優(yōu)化加工。采用高速五軸機(jī)床加工設(shè)備，利用Hypermill的加工策略生成加工命令，達(dá)到科學(xué)控制機(jī)床的目的，減少零件加工生產(chǎn)過程中的偏差，利用定制刀具實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，提高產(chǎn)品的加工精度。

1 Hypermill專用軟件

Hypermill是德國公司開發(fā)的CAM軟件，OPEN MIND公司主推的五軸加工模塊的版本。該軟件具有強(qiáng)大的五軸葉輪加工功能，高速五軸機(jī)床是指利用定制刀具等高速加工的機(jī)床?；贖ypermill的應(yīng)用，Hypermill具有專業(yè)的葉輪數(shù)控加工模塊，輕松地實現(xiàn)了智能化操作，參數(shù)設(shè)置，同時配有完整的刀具干涉檢查及干涉避讓功能，極大地為用戶縮短了程序開發(fā)的時間。在數(shù)控加工市場中，該軟件具有五軸加工等的優(yōu)勢，擁有十分廣闊的市場。

2 鈦合金葉輪加工工藝分析及應(yīng)用

利用Hypermill軟件五軸編程的功能，在模塊編程之前，利用計算機(jī)設(shè)備的可視化功能，構(gòu)建零件加工圖樣，并對圖樣的各項節(jié)點進(jìn)行分析、控制，對圖樣中階段進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使其可以滿足自動編程的功能要求。選擇某型號渦噴發(fā)動機(jī)的葉輪作為應(yīng)用加工對象，葉輪是渦噴發(fā)動機(jī)的核心部件之一，其作用是通過帶有葉片的壓氣機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)，使空氣的壓力增高，密度增大，在提高燃燒的效率同時增加噴氣速度產(chǎn)生的推力。因葉輪的葉片在高溫燃?xì)獍鼑鹿ぷ?，它不僅承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時葉片自身的離心力、氣動力、熱應(yīng)力以及振動負(fù)載，而且在熱燃?xì)庾饔孟逻€易于腐蝕，所以葉輪的葉片質(zhì)量尤為重要。該文主要以模型號渦噴發(fā)動機(jī)葉輪為例，如圖1所示，包括長葉片、短葉片、流道。它采用的材料為鈦合金，零件表面特征的加工精度直接影響發(fā)動機(jī)的性能指標(biāo)，屬于難加工較復(fù)雜的零件。

圖1 葉輪

2.1 鈦合金葉輪加工內(nèi)容

某型號渦噴發(fā)動機(jī)中的核心零件葉輪，如圖2所示，該文試制的整體葉輪有11組葉片，葉輪直徑為=240mm，葉輪高度=120mm，相連葉片間最薄處=1.6mm該零件為生產(chǎn)試制。工件材料為鈦合金，毛坯為鈦合金毛坯件，毛坯直徑Φ250mm，高度125mm可以分析出加工攻關(guān)難點如下。1）整體葉輪的葉片之間的開粗去除量較大這就要求開粗刀具具有耐磨損，持續(xù)加工時間長。為了使葉輪滿足氣動性的要求，葉片常采用扭角大、根部圓角過度的結(jié)構(gòu)。2）整體葉片開粗之后需要進(jìn)行半精加工，要求刀具錐度角較小才能有效滿足半精加工要求，葉片屬于薄壁類零件，剛度低，數(shù)控加工過程中極易變形。3）一組葉片中長葉片與短葉片之間的空間角度較小，在最后精加工時要求刀具錐度角小，刀具細(xì)而長極易折斷；因葉片屬于鈦合金材料采用大扭轉(zhuǎn)角，扭曲嚴(yán)重，數(shù)控加工過程中極易出現(xiàn)干涉，數(shù)控加工難度大。

圖2 葉輪

2.2 葉輪數(shù)控加工工藝過程

工件材料為鈦合金，毛坯為鈦合金毛坯件，毛坯直徑Φ250mm， 高度125mm，根據(jù)零件圖紙設(shè)計要求，在提高數(shù)控加工效率和數(shù)控加工精度前提下，工藝設(shè)計方案將葉輪數(shù)控工藝分為車工序和五軸加工工序2個階段，該文主要以五軸數(shù)控加工為主，車削不再贅述。五軸數(shù)控加工主要有以下幾道工序。工裝示意如圖3所示。

圖3 工裝示意圖

加工工藝方案如下。1）葉輪粗?jǐn)?shù)控加工：對葉輪進(jìn)行開粗，使用大刀具快速除去葉片之間的多余材料，為下一步數(shù)控加工做準(zhǔn)備。2）葉片半精數(shù)控加工：半精數(shù)控加工主要是為了保證精加工余量比較均勻，刀具切削負(fù)載穩(wěn)定，為精數(shù)控加工做準(zhǔn)備。3）流道及葉片精數(shù)控加工：精數(shù)控加工主要為了獲得高要求的數(shù)控加工精度和表面質(zhì)量。粗?jǐn)?shù)控加工留下的流道面可以直接進(jìn)行精數(shù)控加工。

2.3 葉輪數(shù)控加工工藝參數(shù)

葉輪數(shù)控加工工藝參數(shù)確定根據(jù)以上工藝過程擬定工藝切削參數(shù)見表1。

表1 工藝切削參數(shù)

2.4 采用Chiron FZ12高速五軸機(jī)床加工工藝分析

用鈦合金毛坯，粗車鈦合金毛坯時需要按照葉輪三維數(shù)模整體放余量的工藝方式進(jìn)行開粗，毛坯圖如圖4所示。芯棒定位裝夾，校正，精車葉片外圓，在保證加工基準(zhǔn)的前提下，一次成型端面及葉片輪廓樣條線，滿足工藝凸臺的余量端面平面度要求（葉片頂部及外輪廓均留有余量），粗車圖如圖5所示。

圖4 毛坯圖

圖5 粗車圖

通過專用工裝裝夾，校正車床一次成型外圓基準(zhǔn)，以保證端面和小端外圓的垂直度滿足形位公差的要求。再進(jìn)行五軸高速機(jī)床葉片粗加工，粗加工毛坯如圖6所示。

圖6 粗加工毛坯圖

葉片半精加工圖如圖7所示，通過定制錐度球頭銑刀，半精加工余量以保證精加工時余量均勻。

圖7 半精加工圖

流道葉片精加工到位如圖8所示，調(diào)整工藝切削參數(shù)以保證葉片精度，表面粗糙的等形位公差要求。

圖8 流道精加工圖

2.5 定制刀具分析

新工藝方法采用的是刀具制造商ET公司的鈦合金專用刀具具有微粒硬質(zhì)合金基體和超硬納米TiAIN PVD涂層，牌號為S05F（刀具清單見表2），能保證在高溫鈦合金加工時減少積屑瘤的生成。這種新涂層可使刀具壽命延長20%~30%，型面輪廓加工一致性好，提升渦噴發(fā)動機(jī)的動平衡試驗效率。

表2 刀具清單

3 用Hypermill 加工軟件程序設(shè)計

數(shù)控編程技術(shù)是工藝技術(shù)文件準(zhǔn)備階段的核心內(nèi)容之一，是直接影響加工零件精度與加工效率的核心因素，如何合理地使用編程軟件以及程序設(shè)計師的數(shù)控工藝思路是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵要數(shù)。

步驟一：根據(jù)零件維圖調(diào)整編程加工坐標(biāo)系，創(chuàng)建零件毛坯圖以及如何工裝夾具如圖9所示。

圖9 工裝夾具圖

步驟二：創(chuàng)建五軸銑削加工坐標(biāo)系。

步驟三：分析零件特征創(chuàng)建銑削加工特征、葉片粗加工特征、流道加工特征。

步驟四：根據(jù)零件特征設(shè)置加工所需的定制錐度球頭銑刀，并根據(jù)所要加工的特征設(shè)置加工工藝參數(shù)，開粗毛坯如圖10所示。

圖10 開粗毛坯圖

步驟五：根據(jù)葉片的加工特征選擇加工策略編制所需要的加工路徑，并設(shè)置合理的加工參數(shù)，圖11為五軸聯(lián)動等粗加工葉片刀路，圖12為葉片五軸側(cè)刃精加工刀路。

圖11 粗加工葉片圖

圖12 五軸側(cè)刃精加工圖

步驟六：調(diào)用機(jī)床，設(shè)置仿真切削參數(shù)，對設(shè)計的刀路進(jìn)行仿真檢驗，機(jī)床仿真如圖13所示。

圖13 機(jī)床仿真圖

步驟七：選用相應(yīng)機(jī)床的后處理輸出加工程序，加工完成數(shù)模成型如圖14所示。

圖14 數(shù)模成型圖

4 結(jié)論

以上的研究工作表明，鈦合金材料應(yīng)用于發(fā)動機(jī)核心零件壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大。該文經(jīng)過充分論證，設(shè)計了整體葉輪加工工藝方案，選擇合理的鈦合金切削刀具的刀具角度和切削參數(shù)、工裝夾具，使五軸數(shù)控加工制造精度高，加工效率高，柔性好，能夠最大限度地降低加工成本，從而大幅度提高了鈦合金整體葉輪的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到批量生產(chǎn)的目的。