整體螺旋誘導輪五軸聯動數控加工研究*

曾 強 張志森 肖輝進

（四川文理學院，四川達州 635000）

螺旋誘導輪是一種結構新穎、性能優良的流體裝置，自身具有良好的抗腐蝕和氣蝕性，廣泛應用于航空、航天、機械、化工等行業的透平機械中。這類零件形狀特征明顯，工作型面的設計涉及到空氣動力學、流體力學等多個學科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面質量對其性能參數都有很大影響。

傳統的螺旋誘導輪生產的方法是采用鑄造成型后修光。而隨著工業要求的發展，螺旋誘導輪工作曲面形狀更加復雜，制造模具的難度非常大，工藝過程復雜，制造成本高。并且傳統加工出來的誘導輪葉片的表面粗糙度差，而且葉片精度難以保證，動平衡性能差。

現代的整體式誘導輪加工是指輪轂和葉片在同一毛坯體上進行的整體加工，而不采用鑄造成型或葉片加工成形后焊接在輪轂上的工藝方法，一般都要在五坐標聯動機床上進行加工。但在加工中有很大的難度，必須要選擇好合理的刀具及切削用量，規劃好流道及葉片加工方法。

表1 00Cr17Ni14Mo2不銹鋼的化學成分［2］ （質量分數）%

表2 00Cr17Ni14Mo2不銹鋼的力學性能［2］

1 螺旋誘導輪的分析

1.1 圖樣分析

圖1所示為兩葉變螺距誘 導 輪， 材 料 是00Cr17Ni14Mo2奧氏體不銹鋼，總長128.5 mm;輪轂呈錐形，輪緣 φ85 mm;相鄰葉片最小間距22.975 mm，葉片最薄處1.5 mm，最厚處3 mm，流道最深處達34.68 mm。

1.2 誘導輪加工難點

為了滿足誘導輪的使用要求，誘導輪采用了大扭角，根部變圓角等結構，而這就給誘導輪的加工提出了比較高的要求。其加工難度如下:

（1）誘導輪加工槽道窄，而葉片相對較長，剛度低，是一種典型的薄壁類零件，加工過程中非常容易發生變形，這就增加了整體誘導輪加工難度。

（2）誘導輪相鄰葉片最小間距22.975 mm，而且最窄處葉片深度34.68 mm，若用小直徑刀具加工，刀具剛性差，容易折斷。

（3）工件材料的切削性能極差。誘導輪材料的化學成分與力學性能分別如表1、2所示，因為存在著大量的Cr和Ni使得鋼在常溫下呈奧氏體狀態，不但有高的抗腐蝕和點蝕能力，而且其塑性和韌性也較高。切削過程中塑性變形和強化系數很大，變形時，晶體間剪切滑移，晶格嚴重扭曲、拉長、纖維化以及破碎;加工硬化嚴重;切削抗力大;切削產生的熱量多，導熱系數低，散熱環境差，致使切削溫度高;切削時，帶狀切屑連綿不斷，卷屑、斷屑困難;積屑瘤現象嚴重;刀具易磨損;線膨脹系數大，容易產生熱變形，尺寸精度較難控制。切削性能僅為同等條件下45鋼的40%左右［1－3］。

所以要制造精度要求較高、幾何結構復雜的誘導輪，就要有良好的切削環境、合理的刀具及切削用量、流道及葉片加工策略和刀具路徑規劃。

2 誘導輪流道及葉片加工工藝流程

根據誘導輪的結構特點、材料的切削性能以及車間的實際情況，誘導輪流道、葉片及過渡面的數控加工選擇在德國產的五軸聯動機床DMU100 monoBLOCK上進行。該機床配Heidenhain_iTNC530系統，主軸最高轉速可達12 000 r/min。加工中可采用高轉速、大進給、小吃深的銑削方式，按要求設定合理的步距和行距，這樣使得切削力較小，切削較輕快，葉片變形也小，可以大大減輕加工硬化現象，從而提高了產品質量和生產效率。刀具的參數選擇如表3所示，流道及葉片的加工工藝流程如表4所示。

表3 刀具參數

表4 流道及葉片加工工藝流程

3 流道、葉片及過渡面CAM

3.1 流道加工軌跡規劃

流道粗、精加工采用可變軸輪廓銑的方式進行，選取流道面為驅動面，葉片面為干涉檢查面，用插補刀具軸的方式來控制刀軸的變化。插補刀具軸的特點是通過在指定點定義矢量方向來控制刀具軸。當驅動或工件幾何體非常復雜，又沒有附加刀具軸控制幾何體時，插補刀具軸可以控制劇烈的刀具軸變化，還能調節刀具軌跡，以避免碰撞到障礙物;還可以從驅動幾何體上去定義所需要的足夠多的矢量以保證光順的刀具軸移動。在葉片面與輪轂的交線上定義一系列的矢量以控制刀軸。輪轂面上其余刀具位置點的刀軸矢量由U、V雙向線性插值或樣條插值獲得，如圖2所示。加工刀軌及在UG的可視化仿真如圖3所示。

3.2 葉片加工軌跡規劃

根據誘導輪葉片面的幾何特征，葉片面的粗、精加工均采用可變軸輪廓銑的方式進行，選擇葉片面為切削區域和驅動面，而流道面、其他相鄰葉片面和輪轂面作為干涉檢查面，刀軸矢量選擇相對于矢量控制，如圖4所示。

3.3 過渡曲面清根加工軌跡規劃

過渡曲面的清根選擇過渡曲面為驅動面，流道面、相鄰葉片面和輪轂面作為干涉檢查面，采用的相對于矢量方式控制刀軸。為了有效避免過切和干涉碰撞，要合理地設置引導角、傾斜角及進、退刀方式，如圖5所示。

4 仿真驗證和試切加工

誘導輪的編程是一個非常復雜的過程，編制好的數控程序可以通過Vericut仿真軟件進行反復仿真驗證，檢查過切、欠切等問題，并及時修改和優化。誘導輪仿真加工如圖6所示。在加工程序確認無誤的情況之下，還必須在實際的機床上進行試切。試切時，一般先切出1個完整的流道和1對葉片。試切不但可以檢查出數控程序的一些問題，還可以調試切削的一些工藝參數，以便能高效加工出合格的誘導輪，其加工如圖7所示。

5 結語

通過對00Cr17Ni14Mo2奧氏體不銹鋼螺旋誘導輪的分析，合理地選擇了加工刀具、切削參數和加工工序;在誘導輪的流道、葉片及過渡曲面上采用了不同的加工策略;根據刀軌編制出數控程序，并進行了加工仿真和優化。通過試切加工證明，在加工過程中解決了干涉碰撞和過切問題，避免了積屑瘤的形成，減輕了加工硬化現象，減小了刀具的磨損，大大地提高了刀具使用壽命和生產效率，加工好的誘導輪完全符合設計和使用要求。

［1］曾強.葉輪類零件的五軸聯動數控加工與仿真［D］.成都:西南交通大學，2009.

［2］不銹鋼的切削加工［DB/OL］.www.ytbxw.com/Logistics/6310.html.

［3］艾興，肖詩剛.切削用量簡明手冊［M］.北京:機械工業出版社，1994.

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［5］鄧維鑫，許明恒，陳思，等.不銹鋼葉輪五軸聯動數控加工中仿真技術應用研究［J］.機械設計與制造，2010（12）.

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