雙級軸流微渦輪氣動主軸加工工藝研究與優化

劉 江 郭志平 賀向新 苗淑靜

(①內蒙古工業大學能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051； ②內蒙古工業大學機械工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051)

軸流式微渦輪氣動主軸作為微機床的核心部件在微加工中應用廣泛[1-4]。微渦輪作為軸流式微渦輪氣動主軸的關鍵零件，其特征尺寸屬于介觀尺度，具有結構復雜、加工精度高、加工難度大等特點[5-6]。國內外對微渦輪的加工展開了深入的研究，其加工工藝主要分為3類：第一類是MEMS微加工技術，如美國麻省理工學院[7-8]設計的微型渦輪發動機轉子直徑為4.2 mm的徑流渦輪，柵距僅為0.225 mm，新加坡研究機構[9-10]設計的渦輪發動機轉子直徑為8.4 mm，葉片厚度為0.74 mm，都是采用硅微刻蝕技術加工。該技術適合批量化生產，生產成本較低，但葉片只能為2D等截面；第二類是基于電化學或電腐蝕原理發展起來的加工方法，如等離子加工、激光加工和電火花加工等[11-12]。比利時天主教魯汶大學研制的微型渦輪發動機，采用軸流噴嘴和轉子，直徑為10 mm，采用電火花加工而成[13]。該類方法可以加工較小的零件，但加工效率較低，雖然可以通過三維電極來加工，但電極本身尺度為微尺度，加工難度較大，所以該類方法批量化生產的效率較低；第三類加工方法是微切削技術。Liu kun[13]等選用直徑為1 mm的球頭銑刀，在通用五軸加工中心完成了外徑為20 mm的離心渦輪加工。日本東北大學選用球頭銑刀在五軸精密加工中心實現了微渦輪的加工[14-15]，取得了較好的效果。微切削加工以多軸數控精密專用機床為平臺進行加工，可以獲得較好的表面粗糙度和精度，加工效率高，適合加工介觀尺度的三維葉型的渦輪[16]，但相關論文主要研究微切削加工的可行性，沒有對加工工藝與加工效率進行深入的研究，研究成果也沒有較好的推廣性。

本文以雙級軸流式微渦輪氣動主軸用微渦輪為研究對象，以微切削技術為基礎，提出一種基于通用加工中心的高效的、可批量化生產微渦輪的數控加工工藝及效率提升方法。

1 雙級軸流微渦輪氣動主軸結構

1.1 氣動主軸結構

雙級軸流微渦輪氣動主軸以壓縮空氣為動力推動轉子旋轉，進而驅動鉆頭、銑刀、磨頭等工具工作，實現氣體壓縮能到機械能的轉換。其剖面圖如圖1所示。

1.2 微渦輪葉型參數

本樣機設計轉速100 000 r/min，噴嘴與渦輪外徑為20 mm，葉型參考標準葉型類比設計，噴嘴和轉子的葉片數分別為12、11、12、13，相鄰渦輪的葉片數互質。考慮到加工裝配的經濟性，葉片轉子與外殼的間隙為50 μm，噴嘴二與轉軸的間隙為40 μm，噴嘴和轉子的葉型參數如表1所示。

表1 噴嘴、轉子葉型參數

1.3 關鍵零件材料選用

為保證噴嘴、轉子和外殼有相同的熱膨脹率，避免卡死，外殼、渦輪與噴嘴選用牌號為7075的鋁合金，主軸轉軸選用SUS304不銹鋼。氣動主軸工作時要承受軸向力和徑向力，所以前后軸承選用德國GRW公司生產的氧化硅陶瓷主軸軸承，型號分別SV786 CTA、HYSV789 CTA，接觸角為15°，兩個軸承裝配后可允許的最高轉速為130 000 r/min，能夠承受的最大軸向力為300 N。

2 關鍵零件的加工與制造

2.1 毛坯準備和加工設備選擇

轉軸毛坯為φ10 mm×66 mm的不銹鋼棒料，殼體毛坯為φ35 mm×85 mm的合金鋁棒料，噴嘴和渦輪采用φ25 mm×50 mm的鋁合金棒料。外殼和轉軸加工選用型號為HTC2050im車削中心，噴嘴、渦輪加工選用型號為DMU Monoblock 100的數控銑削中心。因轉軸和外殼采用常規加工方法加工，所以只研究噴嘴、渦輪的加工工藝。

2.2 加工工藝路線的確定

為保證噴嘴、渦輪有較高的回轉精度和徑向跳動，采用一次裝夾方式加工渦輪的內孔外圓和葉片。噴嘴、轉子結構相似，可以采用相同的工藝路線，如表2所示。在銑削加工中心上完成前5個工序，然后在車削中心上切斷和平端面。葉片粗精加工選用Powermill10.0軟件的Swarf加工策略，該加工策略采用立銑刀側刃加工葉片，是一種高效加工策略。

表2 渦輪加工工藝過程

2.3 刀具種類的選擇

金屬去除率的計算如式(1)[17]所示。從式(1)可以看出，切削三要素、刀具結構、工件材料都會影響金屬去除率。

Q=ap×ae×n×fz×z

(1)

式中：ap為切削深度，mm；ae為切削寬度，mm；Q為金屬去除率，mm3/min；n為刀具轉速，r/min；z為銑刀刃數，個；fz為每齒進給量，mm/刃；Dcap為切削深度處的實際切削直徑,mm。

從圖3可以看出，當切削深度ap小于刀直徑Dc時，球頭銑刀實際加工深度處的切削直徑Dcap

以圓角銑刀加工噴嘴一為例，分析提高金屬去除率的工藝方法，評價條件是在相同的表面殘留面積下，調整銑刀加工切削寬度ae和切削深度ap，計算兩種刀具的金屬去除率。通過試切削發現，采用表3所示的切削參數時，刀具運行穩定，刀具壽命長，通過表中參數單因素調整對比研究。

表3 球頭銑刀與圓角銑刀金屬去除率對比

從表3可以看出，粗銑流道時，在主軸轉速n,每齒進給量fz、切深ap和表面殘留面積情況下，圓角銑刀的切削寬度ae為0.74，而球頭銑刀的切削寬度ae為0.25，圓角銑刀的金屬去除率是球頭銑刀的2.96倍。精細葉片工序，采用圓角銑刀的側刃加工葉片，切深可達到0.2 mm，而球頭銑刀采用球面進行行切加工，為達到規定的表面粗糙度，切削深度ap只能達到0.02 mm，因此球頭銑刀的金屬去除率較低，只是圓角銑刀的1/10。而在精銑輪轂工序，圓角銑刀利用底刃加工，切削寬度ae較球頭銑刀大，金屬去除率也有所提高。通過表3可知，在表面殘留面積相同的情況下，采用圓角銑刀加工會獲得更高的金屬去除率。

2.4 圓角銑刀加工渦輪的實現方法

毛坯采用三爪自定心夾盤裝夾，為避免加工時刀具與夾爪干涉，毛坯伸出長度不小于30 mm，毛坯頂面與工作臺臺面的距離大于200 mm。裝夾方式如圖4所示。

在粗銑流道時，采用多重切削的方式設置切削深度，采用預留余量的方式兩次調用Swarf加工策略；在精銑葉片和輪轂工序，采用順銑方式，輪轂面采用底刃與輪轂相切的方式加工，切削參數如表3所示，切削刀路與刀位如圖5所示。

3 渦輪加工質量檢測

3.1 渦輪表面粗糙度檢測

由于渦輪的流道尺寸小，需將渦輪剖切后測量，選用型號為SJ-410的表面粗糙度測量儀測定葉片壓力面、吸力面及底面的表面粗糙度Ra，評價標準為ISO 1997，取樣數為5。檢測方法如圖6所示。渦輪外圓、內孔和同軸度采用機內激光探頭檢測，同軸度在0.002～0.003 mm，滿足設計要求。

從表4可以看出，在相同切削參數情況下，沿著氣流方向，渦輪出口截面寬度逐步變寬，流道側面和底面的表面粗糙度較前面渦輪有所提高，這是因為使用的圓角銑刀直徑變大，剛性增加所致；因底面是利用底刃與渦輪底面圓弧相切加工而成，所以同一渦輪的底部表面粗糙度較側面的差。

表4 各渦輪測量尺寸

噴嘴內孔與軸承外圈、轉子與轉軸及轉軸與軸承是過盈配合，采用熱裝法裝配。裝配后的轉子系統與主軸見圖7所示。

3.2 氣動特性

為驗證數控加工工藝的可行性和裝配后的特性，在專用測試平臺上對雙級軸流微渦輪氣動主軸的性能進行測試。繪制進氣壓力與主軸轉速關系曲線如圖8所示。空氣壓力在0.3 MPa時，氣動主軸轉速達到設計轉速100 000 r/min，此時輸出轉矩為8 mN·m，說明加工的噴嘴和轉子的精度能夠滿足渦輪主軸的要求。

4 結語

(1)研究了雙級軸流渦輪式氣動主軸關鍵零件的實現方法，提出了一種在通用五軸數控加工中心上批量加工噴嘴轉子的數控加工工藝。該工藝利用Swarf精加工策略對葉片側面和底進行了粗精加工，并通過切削實驗獲得了適合的切削參數和設置方法。

(2)為提高噴嘴轉子的加工效率，采用單因素方法分析了圓角立銑刀和球頭立銑刀加工葉片時的金屬去除率，獲得在粗銑流道、精銑葉片和輪轂時，金屬去除率要比球頭銑刀分別高2.96倍、10倍及2倍，加工效率顯著提高。

(3)通過專用測試平臺對空氣渦輪主軸的對入口壓力與轉速測試發現，當入口壓力在0.3 MPa時，達到設計轉速100 000 r/min，說明噴嘴轉子加工精度能夠滿足設計要求，為后續雙級軸流渦輪式氣動主軸的批量化生產與深入分析奠定了基礎。