提高葉輪精度的非均勻余量工藝優化策略及試驗

鄒 蕓，劉繼偉

（四川宜賓普什模具有限公司，四川 宜賓 644007）

現如今，葉輪逐漸應用于能源行業、海洋等機械行業，醫療臨床行業之中，發揮著重要的保護效用。動平衡測驗有效地提升了復雜曲面整體葉輪的加工精準程度，這有助于制造設施的總體加工效率，同時還有效地提升了產品安全、速率測試和裝配速率等方面的品質，而且還能夠提升加工質量，降低零部件的使用規模，減少空氣質量方面的損耗等等[1]，確保了較高層次的氣動功效。在材料技術、集成制造技術以及新型制造技術的日漸發展之下，葉輪葉片曲面的整體設計使得系統的葉寬、葉長逐漸拓寬，其葉片的屬性也獲得了相應地增強。

1 葉輪精度的非均勻余量工藝研究背景

整體葉輪屬于動力促進機制和環控機制內的主要核心零構件，對裝備性能的發揮起到了至關重要的效用。現如今，隨著我國結構研究、材料科技以及計算機集成制造技術等新型科技手段的迅猛推進，整體葉輪系零構件的結構設計變得愈來愈繁瑣，其葉片、流道、葉片前緣都屬于大曲率繁雜曲面架構，流道較深同時還比較地細長，精度要求也獲得了不斷地上升，對于具備諸多繁瑣曲面的整體葉輪系零件，整個工藝期間材料去除率高85%至90%，部分葉輪有時候還要超過95%，總體剛度相對較低，工藝性能不佳，屬于一種典型的弱剛性零部件。在整個切削加工期間，由于遭到夾持力、切削震動、金屬纖維組織變形以及應力多方面的影響，非常容易導致零件異形、切削振動等負面問題，切削相當地不穩定，而技術標準也變得越來越嚴格，再加上切削環境較為惡劣，所以導致整體葉輪系零件工藝期間的變形控制技術受到了諸多的挑戰。現如今，整體葉輪的制造方法一般是依靠五坐標加工環節，在加工期間，超薄葉片的變形現象成為一個難以處理的問題之一，尤其是葉片厚度差異程度相對較大，具備較薄前、尾緣等特殊架構的整體葉輪，在刀具切削期間，因為它們的剛性較差所以造成葉片前、尾緣出現避免嚴重的變形問題，有時候還會導致葉片崩刃、彎曲，導致零部件被不必要的耗損。就當前而言，根據薄壁件加工變形偏差方面的研究資料表明，有研究學者指出一種基于數控流程產出的刀具軌跡對扭曲曲面薄壁零件制造開展有限元模擬的手段，將相對偏差調控在兩成以內。除此之外，已有研究學者針對薄壁件在制造期間出現的彈性形變現象，構建了制造期間變形量以及各因素之間的預估模型。有學者探討了切削參數、刀具傾角以及薄壁葉片汽道內弧各個點對葉片變形的影響規律，建立了薄壁葉片加工過程中變形量與各因素之間的預測模型。不僅如此，也已經有研究人員開展了機械加工流程的物理建模探索，利用有限元軟件對葉片的變形態勢予以解析，從而獲取超薄葉片的變形規律，進而探討出葉片橫向非均勻余量的技術優化策略，較小葉片剛性較差的前端和尾端的切削異形，從而逐步提升整體葉輪的制造精準程度。選取生產過程中的某型航空環控機制內置繁雜曲面超薄葉片整體葉輪零件開展相關的測驗驗證，進一步地還原了它們的設計理念，契合技術規范中的有關標準。

2 弱剛度零件銑削剛度情形分析

就當前來說，我國已經研究人員從理論及數據兩個層面對弱剛度零件銑削剛度予以情形解析。針對褐斑大變形，相關的工作人員需要合理地控制葉片的粗加工余量工藝剛度，從而合理調控變形情況，改善壁薄葉片，從本質上減少加工偏差，緩解變形難題。現如今，葉輪生產單位通常通過選取刀具來優化葉輪的制造期間出現的剛性問題，不過在探究制造葉輪自身剛性的優化環節中，提升制造精度是遠遠不夠的。本文筆者將著力解析變形力薄葉片架構設計荷載的運用情況，僅觀察在剛性架構的葉片以及非均勻殘余橫斷面方向，由此來提升弱薄葉片高度方向的抗彎程度，優化相關的工藝參數，如此一來，還能夠逐步地緩解葉片加工產出的振動情況，進而提升整體葉輪的精度。在航空環控制機制應用的過程中，構建了復雜曲面以及超薄葉片集成葉輪部件的測驗核查機制。

3 葉片變形情況分析

依據相關的研究數據指出，相關的工作人員能夠將在葉片的高度方向上，相同尺寸的超薄刀片架構荷載劃分成為多個人部分，加厚板在薄的橫向架構，薄壁架構比大排量小74%，最大應力大概減少55%。薄壁構件漸進非均勻加厚的特殊結構在彎曲期間發揮著至關重要的效用，在編程傳統葉輪五軸期間，一般是根據轉輪葉片或粗、精加工余量均勻預留當前軟件市場上的葉輪零件刀具路徑規劃，不過在現實制作葉輪葉片薄期間，經常會考慮它們高的葉片厚度、葉片厚度以及厚度平均高程較大，受到切削力方面的影響，通過刀片及金屬纖維斷裂變形導致的震動，最終極易使得葉片品質無法達標。

4 提高葉輪精度的非均勻余量銑削工藝優化策略分析

4.1 一種非均勻余量銑削工藝設計分析

通常來說，軸流式復雜曲面整體葉輪的葉片截面表現為梭型形狀，前端以及尾端較葉片中部來說，它們的尺寸相對較薄，所以在切削加工期間，它們的震動情況較為強烈，此時剛性相對不強，變形量較葉片中端來說很大。通過分析數據不難看出，一個葉片除了它們的前端、尾端的變形量最大之外，葉片總體貼近前端、尾端5%至25%的位置，其同時是葉片變形量比較明顯的一部分，而葉片中端的25%至75%剛度較佳，變形量的浮動情況也較為穩定。除此之外，相關的工作人員還需要制定非均勻余量預案，為了進一步縮減它們在加工期間的變形量，相關的工作人員需要對葉片予以區域性地加工處理。也就是說，首先要加工葉片剛性不強的前端以及尾端部分，讓它們在葉片總體剛性較強的情況下，最先被加工到技術規范標準范圍內的尺寸，然后再對剛性較佳的葉片中部予以切削加工，最終通過徑向零吃刀量的形式空銑一刀，固定加工的實際尺寸。在傳統操作上，整體葉輪制造工藝路線被劃分成為多種方式，分別是葉輪的流道粗加工處置，葉片精加工處置以及流道精加工處置，在采取非均勻余量的預案之后，工藝流程逐漸轉變成為新的流道粗加工形式。

4.2 NX 的非均勻余量刀具軌跡規劃分析

相關的工作人員在采取NX_CAM 模塊內的相關手段開展非均勻余量的五坐標刀具軌跡規劃工作。選用剛性性能強的銑刀，采取大切深大進給量開展關于葉輪流道的移除工作，調試較為妥善的側傾安全角等指標，由此合理地把控刀具切削葉片過程中的傾斜角度，逐次上升的驅動形式能夠幫助刀具在每刀切削銜接的過程中，提升圓滑刀軌的運作效率。在完成流道諸多物料清理工作之后，需要在葉片周邊位置預留部分余量，這樣有助于開展葉片前、尾端的精加工處理工作。在制定葉片前、尾端的精加工流程的過程中，相關的工作人員要提升葉片曲面的銑削加工精準程度，從而提升加工的品質。除此之外，諸如切削系數如空間擺角系數、最大步長系數等，在確保切削效率的同時，需要盡可能地選取比較小的取值，如此一來，就能夠讓變化顯著地拐角位置增添諸多過度的刀位，緩解刀具擺角浮動的劇烈情況，而且還能夠緩解拐角處刀具矢量變化的劇烈情況，讓刀具軌跡變得更加地緩慢，從而有助于機床順利地運作，能夠逐步地優化加工品質[2]。

圖1 葉片精加工刀具軌跡規劃示意圖

5 案例分析

以某航空環控系統為例，其表層整體葉輪的直徑大致為241mm，葉片高度大致為46.2mm，刀片的厚度浮動在0.22mm 至2.35mm 之間。在本次案例中，相關的工作人員采用了上述工藝，依據加工余量以及刀具，對葉輪的加工參照系數予以了相應地優化，基于nx_cam 板塊、刀具路徑規劃、粗糙/精準的刀片逐步規劃刀具的路徑加工，然后再根據五軸加工中心的切削測驗，通過程序代碼、屏幕快照及相關環節地處置，經過一系列三維掃描之后，葉輪模型重構以及NX 刀具路徑規劃模型都統一得到了表層輪廓的相關檢測信息，較之于之前，誤差縮減[3]。

6 結語

綜上所述，相關的工作人員應用葉片高度的非均勻布置以及葉片橫截面上的非均勻余量，逐漸改善了葉輪整個的五軸加工設計工作，以超薄葉片葉輪作為典型例子，進一步研究粗/精加工路徑的規劃思路，產出及加工數控流程。在改善之前，相關的工作人員還需要對零部件予以優化，從而將偏差控制在可控的范圍之內，該工藝優化策略可以逐步地提升葉片的實際剛度，緩解葉片變形的嚴峻情況，從而使得各參數契合相應的標準，該工藝的優化方法對于零件的加工環節來說，具備很強的現實指導價值。