渦輪轉(zhuǎn)子葉片對(duì)稱(chēng)加工用雙主軸銑削機(jī)床*

趙 巖 李文彬 劉浩然 邵 璟

（①燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島066004;②燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島066004;③北京機(jī)電院機(jī)床有限公司，北京 100027）

隨著社會(huì)需求的不斷變化，冶金、微電子、化工以及食品等行業(yè)很多環(huán)節(jié)都需要在真空的環(huán)境下完成，能獲得清潔真空的磁懸浮分子泵已成為獲得真空環(huán)境的重要設(shè)備之一，而硬鋁合金整體渦輪轉(zhuǎn)子是磁懸浮分子泵中的關(guān)鍵零件。

硬鋁合金整體渦輪轉(zhuǎn)子有多層葉片，每層葉片的參數(shù)各不相同。葉片與葉片之間的間隙很小，只有幾毫米，葉片最終銑削成形，不再有其它后續(xù)加工。硬鋁合金整體渦輪轉(zhuǎn)子葉片加工前后的結(jié)構(gòu)如圖1所示。渦輪轉(zhuǎn)子屬于高速旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體零件，這就使葉片加工精度尤其是對(duì)稱(chēng)性要求比較高。由于葉片之間的間隙小，只能使用直徑比較小的立銑刀加工。為了保證切削的線速度，就要采用高速旋轉(zhuǎn)的電主軸進(jìn)行加工。

目前國(guó)內(nèi)磁懸浮分子泵渦輪轉(zhuǎn)子葉片的加工現(xiàn)狀不太理想，最突出的問(wèn)題就是加工效率低。僅葉片銑削加工這一道工序就需要12 h左右。為提高轉(zhuǎn)子效率，葉片應(yīng)是具有空間曲面的葉形，但針對(duì)本文所研究的渦輪轉(zhuǎn)子，葉片空間曲面葉形的加工問(wèn)題沒(méi)有解決，只能設(shè)計(jì)為平面形狀，用四軸機(jī)床兩軸聯(lián)動(dòng)加工。

目前用于提高加工效率的措施主要分為5類(lèi):（1）提高機(jī)床的加工能力;（2）采用高速切削技術(shù);（3）優(yōu)化加工工藝;（4）優(yōu)化刀具路徑;（5）改進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)。但是，以上措施都是基于單主軸加工的，這些措施并沒(méi)有充分利用硬鋁合金整體渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此其加工效率的提高有限［1］。

為了大幅提高整體渦輪轉(zhuǎn)子葉片的加工效率，本文根據(jù)整體渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種新型的雙主軸臥式銑削機(jī)床結(jié)構(gòu)，并闡述了這種新型機(jī)床對(duì)稱(chēng)加工硬鋁合金整體渦輪轉(zhuǎn)子葉片的實(shí)現(xiàn)方法。本文所提出的新型雙主軸臥式銑削機(jī)床加工硬鋁合金整體渦輪轉(zhuǎn)子葉片的加工效率理論上可提高近一倍，能夠使工件成本大大降低。這對(duì)提高國(guó)內(nèi)的磁懸浮分子泵核心零部件制造水平，近而滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)冶金、微電子、化工以及食品等行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 加工整體渦輪轉(zhuǎn)子葉片的典型機(jī)床類(lèi)型

目前，國(guó)內(nèi)外加工整體渦輪類(lèi)葉片的機(jī)床大致可分為3類(lèi):一是能夠?qū)崿F(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)加工的四軸機(jī)床（如瑞士MIKRON公司的HSM 600）;二是能夠?qū)崿F(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工的機(jī)床（如瑞士LIECHTI公司的g－Mill 550加工中心）;三是能夠同時(shí)加工2個(gè)工件的雙主軸機(jī)床（如瑞士LIECHTI公司的g－Mill 550 Twin加工中心）。

1.1 兩軸聯(lián)動(dòng)加工的四軸機(jī)床

MIKRON HSM 600機(jī)床外形結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)3個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)（X、Y、Z）和 1 個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)（A）方向的運(yùn)動(dòng)，其工作范圍在X及Y方向的行程為600 mm，在豎直方向即Z方向的行程為500 mm，并且能夠使工件回轉(zhuǎn)分度，工作臺(tái)

最大承重為0.8 t，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)到42 000 r/min。由于該機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)加工整體渦輪轉(zhuǎn)子，所以現(xiàn)階段多用這種類(lèi)型機(jī)床加工平面葉形的硬鋁合金整體渦輪轉(zhuǎn)子葉片［2］。

1.2 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心

瑞士LIECHTI公司的g－Mill 550加工中心（如圖3）專(zhuān)門(mén)加工渦輪葉輪、葉片及復(fù)雜曲面的工件，它的床身與門(mén)架呈20°前傾狀態(tài)，能夠無(wú)振動(dòng)地承受大的載荷。這種獨(dú)特的角度位置完全可以保證切屑自由流動(dòng)，并可連續(xù)觀察工件和刀具。這種結(jié)構(gòu)具有很高的動(dòng)態(tài)特性、可靠性和通用性。采用這種五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工渦輪葉輪、葉片等可以提高其表面加工質(zhì)量、加工精度及加工效率［3－4］。

1.3 雙主軸加工中心

瑞士LIECHTI公司的g－Mill 550 Twin（圖4）加工中心幾乎同g－Mill 550加工中心一樣。其Y向行程會(huì)從單軸型的600 mm減小到330 mm，最大工件回轉(zhuǎn)直徑也從單軸型的550 mm減小到320 mm，最大加工長(zhǎng)度不變。兩根主軸完全相同（與單軸相同），功率都是22 kW（圖5），轉(zhuǎn)矩183 N·m，最高轉(zhuǎn)速15 000 r/min，因此生產(chǎn)效率也可以提高一倍。

2 新型雙主軸臥式銑削機(jī)床

本文提出的新型雙主軸臥式銑削機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

機(jī)床床身使用礦物鑄件（材料為人造花崗巖），礦物鑄件可以增加機(jī)床床身的穩(wěn)定性，減少熱變形的影響，提高機(jī)床的精度。與傳統(tǒng)的鑄鐵件相比，礦物鑄件具有許多優(yōu)勢(shì):

（1）礦物鑄件的熱收縮性很小，不存在局部收縮，比傳統(tǒng)的鑄鐵件精度要高很多;

（2）具有極強(qiáng)的吸振能力，在加工使用過(guò)程中的振動(dòng)對(duì)機(jī)床床身幾乎不產(chǎn)生影響，從而保證了機(jī)床的精度;

（3）礦物鑄件對(duì)溫度的變化不敏感，導(dǎo)熱性比金屬低很多，能夠有效地把機(jī)床因受熱引起的幾何尺寸誤差控制在最小范圍，從而保證機(jī)床的精度［5－6］。

機(jī)床立柱、橫梁、滑板和主軸箱均采用鋼結(jié)構(gòu)焊接件。

機(jī)床的主要規(guī)格如表1所示。

表1 機(jī)床主要規(guī)格

本機(jī)床結(jié)構(gòu)的工作原理為:在加工時(shí)，刀具5和11分別在渦輪轉(zhuǎn)子4的兩側(cè)沿X軸上下移動(dòng)，其中共用工作臺(tái)2沿Y方向的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)子葉片的對(duì)稱(chēng)加工。其示意圖如圖6所示。

基于以上原理，在加工硬鋁合金整體渦輪轉(zhuǎn)子葉片時(shí)，首先裝夾待加工渦輪轉(zhuǎn)子，待加工渦輪轉(zhuǎn)子由置于工作臺(tái)2上的專(zhuān)用夾具裝夾。渦輪轉(zhuǎn)子葉片在加工過(guò)程中，可以在數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)3的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)子4的旋轉(zhuǎn);通過(guò)滑枕7、12沿X軸上下移動(dòng)，刀具5、11可以實(shí)現(xiàn)X軸方向的移動(dòng);主軸箱6、13可以分別在滑枕7、12上沿Z軸移動(dòng)，因此，刀具5、11可以實(shí)現(xiàn)Z軸方向的移動(dòng);工作臺(tái)2可以在床身1上沿Y軸移動(dòng)，從而待加工渦輪轉(zhuǎn)子4可實(shí)現(xiàn)Y軸方向的移動(dòng)。刀具5、11分別沿X軸、Z軸方向移動(dòng)到一定位置，再通過(guò)X、Y軸聯(lián)動(dòng)使刀具5、11相對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子4按照一定的平行四邊形路徑（a—b—c—d和e—f—g—h）對(duì)稱(chēng)加工葉片（如圖6所示）。其余各層葉片加工原理相同。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的這種新型雙主軸臥式銑削機(jī)床可使硬鋁合金整體渦輪轉(zhuǎn)子葉片的加工效率理論上提高近一倍，同時(shí)由于機(jī)床床身使用礦物鑄件、選用高可靠性的電主軸、高精度的滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)以及雙主軸對(duì)稱(chēng)加工等措施，能夠使渦輪轉(zhuǎn)子的對(duì)稱(chēng)度及加工精度相對(duì)提高，有利于分子泵的動(dòng)平衡，同時(shí)也使工件加工成本大大降低。從而有助于提高國(guó)內(nèi)磁懸浮分子泵中硬鋁合金整體渦輪轉(zhuǎn)子的制造水平，滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)冶金、微電子、化工以及食品等行業(yè)的發(fā)展需求。

［1］朱林森，湯漾平，賓鴻贊，等.對(duì)稱(chēng)加工方法及其實(shí)現(xiàn)機(jī)理的研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2007，18（20）:2395－2398.

［2］http://www.gfac.com/gfac/products/high－speed－machining－centers/hsm/mikron－h(huán)sm－600.html?L=0

［3］http://www.liechti.com/index_en.htm

［4］春林.加工流線和自由形面的雙主軸加工中心［J］.世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2005（2）:42－43.

［5］侯鎮(zhèn)冰，諸乃雄，陳建龍.機(jī)床結(jié)構(gòu)新材料——人造花崗巖［J］.機(jī)械工程，1989（5）:27－28.

［6］夏田.數(shù)控加工中心設(shè)計(jì)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.