典型葉片類零件數控加工方法優化設計

劉忠璐

（哈爾濱風華有限公司，哈爾濱 150040）

0 引言

葉片類零件被應用于電力汽輪機、航空發動機、船用汽輪機等動力機械，它們在發電、航空航天、船運等基礎行業中有著廣泛的應用；其表面一般均為復雜自由曲面，造型較難且加工工藝性能較差。由于葉片造型和工藝的復雜性及設計高精度的要求，其加工制造一般均需要在四軸或五軸數控機床上完成[1]。為了提高企業的綜合實力，高效率、低成本、高質量加工工件已成為企業主要發展方向，因而如何合理地利用數控機床、刀具、數控程序提高工件加工效率，成為企業跟上數控行業步伐的關鍵。提高數控機床加工效率可通過減少輔助時間、采用高速切削、合理增大切削用量、縮短空行程等方法實現[2]。本文針對3種典型葉片類零件的數控加工方法進行了不同的優化設計。

1 葉片類零件結構分析

1.1 離心式半開葉輪

本文所涉及的離心式半開葉輪采用離心泵結構，由兩個前蓋板、葉片和輪轂組成，有兩個分布在葉片兩側的吸入口，其部分截面圖如圖1所示。多個工作葉片均勻分布，葉片是由8段圓弧擬合而成的曲面，葉形曲率半徑小、葉片由外向內逐漸升高，形成喇叭口，型腔狹窄，氣道最窄為4.2 mm。

圖1 泵葉輪部分區域視圖

1.2 帶冠整體葉輪

如圖2所示，帶冠整體葉輪組合件部分區域的結構是帶冠整體葉輪，最大直徑為100 mm，高為30 mm，材料為鈦合金，葉片間的最小間距只有3 mm。帶冠整體葉輪加工區域是由輪轂、葉片的內弧、外環、葉片的背弧、前緣、尾緣組成的一個個閉合的空間。

圖2 帶冠整體葉輪區域視圖

1.3 轉子

轉子葉片形狀如圖3所示，具有開放式的葉型結構，是渦輪泵主要傳動零件、渦輪泵運轉核心，材料屬于高溫合金Ⅱ類鍛件，軸轉子屬于細長桿，動平衡要求高，并且要保證葉型兩端對稱性。葉片長度L=15 mm，20余葉片在圓周上均勻分布，兩葉片間的最小直線距離為3 mm。尺寸最精處公差僅為0.03 mm，角度公差僅為8′。

圖3 轉子葉片形狀圖

2 數控加工方法優化設計

在典型葉片類零件的多軸數控加工中，刀位軌跡計算是重要環節，直接決定著典型葉片類零件的加工質量和加工效率。本文涉及的刀位軌跡均在UG數控軟件上建模后自動生成。

2.1 離心式半開葉輪

1）粗加工數控方法優化。粗加工旨在為后續精加工留有一定余量的同時，盡可能地除去多余材料。為減小銑序去除體積，增大了銑序前粗車的內孔尺寸，因此可以達到提高銑序刀具使用壽命、減少銑序加工時間的目的。在粗銑過程中選用錐球頭銑刀，錐球頭銑刀可在滿足結構空間限制的情況下增加刀具的剛度，且刀具使用壽命長、工件表面質量高，同時切削速度可以由200 mm/min提高到240 mm/min，減少了加工時間，提高了加工效率。

2）精加工數控方法優化。精加工旨在達到圖樣要求的尺寸及表面質量。精銑刀具由圓柱球頭銑刀改為棒棒糖銑刀，棒棒糖銑刀切削范圍大，且五軸聯動轉角平穩；切削速度由300 mm/min提高到350 mm/min，使得加工時間減少、加工效率提高、制造成本降低。

2.2 帶冠整體葉輪

1）工藝尺寸的優化。為縮短刀具伸出長度、提高刀具剛性，更改銑序前的工藝尺寸且調整固定帶冠整體葉輪螺釘高度。

2）精加工數控方法優化。由于圓柱球頭銑刀加工的刀具中心軌跡是由零件輪廓沿其外法線方向偏置一個刀具半徑而成；優化后由圓柱球銑刀改為棒棒糖銑刀，切削范圍大，且五軸聯動轉角平穩，切削速度由300 mm/min提高到350 mm/min。

2.3 轉子

1）主程序優化。由于轉子的各葉片工藝路徑相同，只是位置參數不同，因此主程序利用宏程序編制成，可任意選擇被加工葉片個數的程序，以適應刀具磨損，方便操作人員更換刀具，縮短加工中的空閑時間，以達到減少機時的目的。

以下為部分程序：

圖4 離心式半開葉輪粗加工UG模擬圖

圖5 離心式半開葉輪精加工UG模擬圖

圖6 帶冠整體葉輪精加工UG模擬圖

2）走刀方式優化。由于轉子葉片是開放式的，因此在數控銑削在粗銑形式下，走刀方式有兩種選擇：行切(即平行走刀)和環切(即環繞走刀)[3]。

由于行切法加工的刀具軌跡計算較為簡單，但在加工過程中需要頻繁變換順、逆銑方式，切削力的大小和加工表面質量會受到相應的影響。因此在加工轉子時選擇用順時針環切方式的加工路線（如圖7）。環切方式減少了頻繁換順、逆銑的缺點，且利用順銑是為避免刀齒受沖擊而破損。使用環切走刀，生成的刀路軌跡在同一層內不抬刀，在對復雜型腔加工中顯示出其加工效率高，余量均勻（有利于后續加工，尤其是后面的精加工）的特點[4]；并且可以將輪廓及島嶼邊緣部位加工到位，提高銑削效率，銑削方式不變且加工過程平穩，減少刀具磨損，并降低葉片表面粗糙度。

圖7 轉子環切加工路線圖

3）用刀方式優化。圖8所示為按原有用刀方式的加工路線，采用點銑方式進行加工，加工時一次銑削的量相對來說較小，同樣長度需要進行銑削的次數較多，影響加工效率。

圖8 點銑加工轉子過程圖

為避免銑削循環次數多、時間久的缺點，優化后方案選擇圖9所示的用刀方式，采用銑刀側刃銑削進行加工。同樣長度銑削的次數減小，因而銑削時間減少，加工成本降低。由點銑變為側刃銑后，刀具路徑由25個減少到3個，加工時間減少，大大提高了加工效率。

圖9 側刃銑加工轉子過程圖

3 工藝優化效果分析

3.1 離心式半開葉輪

通過更改粗車內孔尺寸和更換粗精銑序刀具的程序優化，加工泵葉輪的五軸機床工時由原來的24 h減少到20 h，效率提高了16.7%。優化后表面粗糙度穩定在Ra1.6 μm以下。

原來的銑刀是用自制刀具，每生產1件離心式半開葉輪產品，需修磨1次，修磨費用另算，1個零件共用6種刀具。程序改進后的棒棒糖銑刀單件產品用2把，價格雖然比自制刀具高，但節省了五軸機床工時，綜合計算，生產每件離心式半開葉輪的成本得到降低。

3.2 帶冠整體葉輪

通過帶冠整體葉輪與法蘭整體加工、工藝尺寸更改及刀具更換等程序方案的優化，噴嘴環的五軸加工機時由原來的70 h減少到55 h，效率提高了21.4%。優化后表面粗糙度穩定在Ra1.6 μm左右。

原來的銑刀是自制的刀具，每生產1件帶冠整體葉輪產品，需修磨1次，1個零件共用5種刀具，修磨費用另算。程序改進后的棒棒糖銑刀單件產品用2把，成本比自制刀具高，從刀具費用上來講，單件產品成本增加，但節省五軸機床工時，綜合計算后發現加工帶冠整體葉輪成本降低。

3.3 轉子

通過完善主程序、變換走刀路線及用刀方式的程序方案優化，軸轉子的四軸加工機床工時已由原來的70 h變為50 h，加工效率提高28.6%，大幅降低了單件轉子生產成本。

4 結語

在3個主要典型零件的數控加工中，通過合理優化加工工藝方案、改變用刀方式、靈活地運用數控加工的編程指令與方法，編制出更加優化的數控加工程序，有效地提高零件的加工效率，降低制造成本，縮短加工周期，具有良好的經濟效益。