整體葉輪數控加工的工藝分析

摘要：本文介紹了整體葉輪加工部分的結構特征，分析了葉輪加工的工藝難點和技術要求。通過加工，提高了分析問題和解決問題的能力，為與企業的進一步合作奠定了堅實的基礎。具有一定的現實意義和實用價值。

關鍵詞：整體葉輪；葉片；加工工藝

一、葉輪概述

葉輪是動力機械的關鍵部件，廣泛應用于船舶機械、石油化工、能源動力以及航空航天等領域，其加工技術是現代制造業中的一個重點課題。傳統葉輪采用分段式加工，即輪轂和葉片采用不同的毛坯，分別加工成形后，將葉片焊接在輪轂上。這種工藝既費時費力，又難以保證葉輪的機械性能。在采用整體式加工方法時，由于葉片是由非可展直紋面和自由曲面構成的，形面復雜。為了提高整體葉輪的加工質量和工效，滿足產品生產工藝要求，廣泛應用五軸數控機床及CAD／CAM技術。利用多軸數控機床進行葉輪加工，既可以保證刀具的球頭部分準確切削工件，又可以利用其轉動軸，使刀具的刀體或刀桿避讓開工件其他部分，避免發生干涉或過切。

整體葉輪具有結構復雜、數量種類繁多、對發動機性能影響大、設計研制周期長、制造工作量大等特點。加工整體葉輪時刀具軌跡規劃的約束條件比較多，相鄰葉片空間較小，加工時極易產生碰撞干涉，自動生成無干涉刀位軌跡較困難。葉輪的五坐標加工設計，國外一般采用整體葉輪的五坐標加工專用軟件，例如美國NREC公司的MAX-5、MAX-AB葉輪加工專用軟件，瑞士Starrag數控機床整體葉輪加工模塊，OPEN MIND 公司Hypermill的葉片（含葉盤）、葉輪（含閉式葉輪）等航空航天專用模組，英國DELCAM公司的PowerMILL軟件等。目前，我國大多數生產葉輪的廠家采用國外大型CAD／CAM軟件，如UG NX、CATIA、MasterCAM等。我們采用的是UGS NX7.5軟件進行工藝參數設計和自動編程。

二、葉輪的結構

葉輪主要由輪轂和葉片構成，葉片包括壓力面、吸力面和包覆面，包覆面與壓力面和吸力面間變圓角過渡，如下圖所示。

葉輪結構圖

相鄰葉片之間的輪轂稱為流道，由根部曲線繞旋轉軸旋轉而成；葉輪蓋由頂部曲線繞旋轉軸旋轉而成。在整體葉輪的建模過程中，將葉片的建模放在流道和包覆面建模之后，并采用旋轉陣列的方式設計葉片，從而實現編程的對稱性。

在加工葉輪過程中，不僅要保證葉片形狀，還要保證葉片的加工質量。葉片型面加工可分為“線加工（側刃銑）”和“點加工（刀頭銑）”?！熬€加工”銑刀的側刃與葉片接觸，加工效率高，但由于葉片較薄，加工時回彈影響大，易變形，適于近似加工，精度低?！包c加工”使用銑刀底刃切削，加工時產生的變形小，加工精度高，但對于彎曲程度大的葉片，因葉片空間狹窄，加工過程中極易產生碰撞干涉。因此，在葉輪的整體加工中采用“點加工“與“線加工”相結合的方法。

三、葉輪加工工藝分析

1.葉輪加工的技術難點

本例中，需要對整體葉輪的流道、葉片和圓角等主要曲面進行加工。加工流道需要去除大量余料。為了使葉輪滿足氣動性的要求，葉片常采用大扭角、根部變圓角的結構，這給葉輪的加工提出了更高的要求。根據本例具體情況，加工難點如下：

（1）流道過窄，葉片又薄又長，屬于薄壁類零件，剛度低，加工過程中極易變形，要合理選擇刀具和切削用量。

（2）流道最窄處的葉片深度超過刀具直徑8倍以上，相鄰葉片空間狹窄，在清角加工時刀具直徑小，易折斷，控制切削深度是關鍵。

（3）葉片為自由曲面，扭曲嚴重，并有明顯的后仰趨勢，加工時極易產生干涉，加工難度大。為了避免干涉，有的曲面要分段加工，因此很難保證加工表面的一致性。

（4）前緣圓角曲率半徑變化大，加工過程中，機床角度變化大，由于槽道窄，葉片高，變圓角的加工是個難點。

2.葉輪加工工藝

整體葉輪加工技術要求包括尺寸、形狀、位置、表面粗糙度等幾何方面的要求，也包括機械、物理、化學性能的要求。為了提高整體葉輪的強度，毛坯一般采用鍛壓件。葉輪葉片必須具有良好的表面質量。精度一般集中在葉片表面、流道表面和葉根表面，表面粗糙度值應小于Ra3.2μm，截面間的型面平滑過度，葉片的表面紋理要求一致，從而限制了走刀方向，也就限制了刀具軌跡。

整體葉輪在工作中為了降低噪聲，防止振動，要求具有很高的動平衡性能，所以在加工過程中要綜合考慮葉輪的對稱問題。在進行CAD／CAM編程時，利用葉片，流道等關于旋轉軸的對稱性，采用對某一表面的加工來完成對相同加工內容不同位置的操作，如本例對流道和葉片采用了旋轉陣列加工的操作。此外，要盡可能減小由于裝夾或換刀造成的誤差。

該葉輪采用五軸加工，優點是僅需一次裝夾定位即能完成該零件的全部加工，采用不同規格硬質合金的球頭刀或錐度球頭刀，本例中采用R6、R3球頭刀和R2全錐3°的錐度球銑刀。其加工工藝流程如下表所示。

（作者單位：渤海船舶職業學院）