基于鈦合金葉輪的高效加工技術的工藝分析及應用

陳曉棟 范利娟

（南京模擬技術研究所，江蘇 南京 210016）

0 引言

鈦合金被廣泛用于制造發動機葉輪熱端部件，鈦的強度是鋁的1.3倍，鎂合金的1.6倍，不銹鋼的3.5倍。鈦合金導熱系數低，僅是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25。切削區散熱慢，不利于熱平衡，在切削加工過程中，散熱和冷卻效果很差，易于在切削區形成高溫，加工后零件變形回彈大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快，耐用度降低。因此，使用鈦合金制造葉輪零件的加工難度較大，成本較高。該文通過定制刀具和合理的工藝路線以及使用高速加工設備來優化加工。采用高速五軸機床加工設備，利用Hypermill的加工策略生成加工命令，達到科學控制機床的目的，減少零件加工生產過程中的偏差，利用定制刀具實現了批量生產，提高產品的加工精度。

1 Hypermill專用軟件

Hypermill是德國公司開發的CAM軟件，OPEN MIND公司主推的五軸加工模塊的版本。該軟件具有強大的五軸葉輪加工功能，高速五軸機床是指利用定制刀具等高速加工的機床。基于Hypermill的應用，Hypermill具有專業的葉輪數控加工模塊，輕松地實現了智能化操作，參數設置，同時配有完整的刀具干涉檢查及干涉避讓功能，極大地為用戶縮短了程序開發的時間。在數控加工市場中，該軟件具有五軸加工等的優勢，擁有十分廣闊的市場。

2 鈦合金葉輪加工工藝分析及應用

利用Hypermill軟件五軸編程的功能，在模塊編程之前，利用計算機設備的可視化功能，構建零件加工圖樣，并對圖樣的各項節點進行分析、控制，對圖樣中階段進行適當調整，使其可以滿足自動編程的功能要求。選擇某型號渦噴發動機的葉輪作為應用加工對象，葉輪是渦噴發動機的核心部件之一，其作用是通過帶有葉片的壓氣機葉輪的旋轉，使空氣的壓力增高，密度增大，在提高燃燒的效率同時增加噴氣速度產生的推力。因葉輪的葉片在高溫燃氣包圍下工作，它不僅承受轉子高速旋轉時葉片自身的離心力、氣動力、熱應力以及振動負載，而且在熱燃氣作用下還易于腐蝕，所以葉輪的葉片質量尤為重要。該文主要以模型號渦噴發動機葉輪為例，如圖1所示，包括長葉片、短葉片、流道。它采用的材料為鈦合金，零件表面特征的加工精度直接影響發動機的性能指標，屬于難加工較復雜的零件。

圖1 葉輪

2.1 鈦合金葉輪加工內容

某型號渦噴發動機中的核心零件葉輪，如圖2所示，該文試制的整體葉輪有11組葉片，葉輪直徑為=240mm，葉輪高度=120mm，相連葉片間最薄處=1.6mm該零件為生產試制。工件材料為鈦合金，毛坯為鈦合金毛坯件，毛坯直徑Φ250mm，高度125mm可以分析出加工攻關難點如下。1）整體葉輪的葉片之間的開粗去除量較大這就要求開粗刀具具有耐磨損，持續加工時間長。為了使葉輪滿足氣動性的要求，葉片常采用扭角大、根部圓角過度的結構。2）整體葉片開粗之后需要進行半精加工，要求刀具錐度角較小才能有效滿足半精加工要求，葉片屬于薄壁類零件，剛度低，數控加工過程中極易變形。3）一組葉片中長葉片與短葉片之間的空間角度較小，在最后精加工時要求刀具錐度角小，刀具細而長極易折斷；因葉片屬于鈦合金材料采用大扭轉角，扭曲嚴重，數控加工過程中極易出現干涉，數控加工難度大。

圖2 葉輪

2.2 葉輪數控加工工藝過程

工件材料為鈦合金，毛坯為鈦合金毛坯件，毛坯直徑Φ250mm， 高度125mm，根據零件圖紙設計要求，在提高數控加工效率和數控加工精度前提下，工藝設計方案將葉輪數控工藝分為車工序和五軸加工工序2個階段，該文主要以五軸數控加工為主，車削不再贅述。五軸數控加工主要有以下幾道工序。工裝示意如圖3所示。

圖3 工裝示意圖

加工工藝方案如下。1）葉輪粗數控加工：對葉輪進行開粗，使用大刀具快速除去葉片之間的多余材料，為下一步數控加工做準備。2）葉片半精數控加工：半精數控加工主要是為了保證精加工余量比較均勻，刀具切削負載穩定，為精數控加工做準備。3）流道及葉片精數控加工：精數控加工主要為了獲得高要求的數控加工精度和表面質量。粗數控加工留下的流道面可以直接進行精數控加工。

2.3 葉輪數控加工工藝參數

葉輪數控加工工藝參數確定根據以上工藝過程擬定工藝切削參數見表1。

表1 工藝切削參數

2.4 采用Chiron FZ12高速五軸機床加工工藝分析

用鈦合金毛坯，粗車鈦合金毛坯時需要按照葉輪三維數模整體放余量的工藝方式進行開粗，毛坯圖如圖4所示。芯棒定位裝夾，校正，精車葉片外圓，在保證加工基準的前提下，一次成型端面及葉片輪廓樣條線，滿足工藝凸臺的余量端面平面度要求（葉片頂部及外輪廓均留有余量），粗車圖如圖5所示。

圖4 毛坯圖

圖5 粗車圖

通過專用工裝裝夾，校正車床一次成型外圓基準，以保證端面和小端外圓的垂直度滿足形位公差的要求。再進行五軸高速機床葉片粗加工，粗加工毛坯如圖6所示。

圖6 粗加工毛坯圖

葉片半精加工圖如圖7所示，通過定制錐度球頭銑刀，半精加工余量以保證精加工時余量均勻。

圖7 半精加工圖

流道葉片精加工到位如圖8所示，調整工藝切削參數以保證葉片精度，表面粗糙的等形位公差要求。

圖8 流道精加工圖

2.5 定制刀具分析

新工藝方法采用的是刀具制造商ET公司的鈦合金專用刀具具有微粒硬質合金基體和超硬納米TiAIN PVD涂層，牌號為S05F（刀具清單見表2），能保證在高溫鈦合金加工時減少積屑瘤的生成。這種新涂層可使刀具壽命延長20%~30%，型面輪廓加工一致性好，提升渦噴發動機的動平衡試驗效率。

表2 刀具清單

3 用Hypermill 加工軟件程序設計

數控編程技術是工藝技術文件準備階段的核心內容之一，是直接影響加工零件精度與加工效率的核心因素，如何合理地使用編程軟件以及程序設計師的數控工藝思路是保證產品質量的關鍵要數。

步驟一：根據零件維圖調整編程加工坐標系，創建零件毛坯圖以及如何工裝夾具如圖9所示。

圖9 工裝夾具圖

步驟二：創建五軸銑削加工坐標系。

步驟三：分析零件特征創建銑削加工特征、葉片粗加工特征、流道加工特征。

步驟四：根據零件特征設置加工所需的定制錐度球頭銑刀，并根據所要加工的特征設置加工工藝參數，開粗毛坯如圖10所示。

圖10 開粗毛坯圖

步驟五：根據葉片的加工特征選擇加工策略編制所需要的加工路徑，并設置合理的加工參數，圖11為五軸聯動等粗加工葉片刀路，圖12為葉片五軸側刃精加工刀路。

圖11 粗加工葉片圖

圖12 五軸側刃精加工圖

步驟六：調用機床，設置仿真切削參數，對設計的刀路進行仿真檢驗，機床仿真如圖13所示。

圖13 機床仿真圖

步驟七：選用相應機床的后處理輸出加工程序，加工完成數模成型如圖14所示。

圖14 數模成型圖

4 結論

以上的研究工作表明，鈦合金材料應用于發動機核心零件壓氣機轉子中，其結構復雜，加工難度大。該文經過充分論證，設計了整體葉輪加工工藝方案，選擇合理的鈦合金切削刀具的刀具角度和切削參數、工裝夾具，使五軸數控加工制造精度高，加工效率高，柔性好，能夠最大限度地降低加工成本，從而大幅度提高了鈦合金整體葉輪的生產效率以及產品質量，達到批量生產的目的。