試論閉式導葉輪的數控加工工藝

金東學

（延邊職業技術學院 裝備制造與智能控制系，吉林 延吉 133000）

閉式導葉輪具有深流道、窄空間的結構特點，使得加工制造具有較高的難度。傳統的石蠟精密鑄造法、電火花加工法等雖然也有一定的技術優勢，但是加工所得產品存在機械強度和精度較差，無法滿足閉式導葉輪的長期、穩定運行要求。多軸聯動數控加工工藝可以兼顧閉式導葉輪的加工效率和加工質量，是目前綜合應用效果較好的技術形式之一。掌握工藝流程及其核心技術，對提高閉式導葉輪加工質量和延長設備使用壽命有積極幫助。

1 閉式導葉輪的數控加工流程及其關鍵技術

1.1 工藝流程

閉式導葉輪的數控加工主要分為粗銑、半精銑、精銑三個環節，整個工藝流程，見圖1。

圖1 閉式導葉輪的加工流程

在粗車、粗銑流道工序中設置工藝流量時，應考慮熱套密封環工序中的加熱、退火操作對工件帶來的變形影響，并保證“變形量＜工藝流量”。在半精銑時，其余量設置由精銑環節中刀具的剛性以及工件加工面的成型精度、表面粗糙度來決定。考慮到閉式導葉輪的形狀不規則，因此加工中配合使用車工和銑工兩種工藝。在處理導葉輪回轉面、回轉體時，選擇數控車銑工藝，不僅提高了加工效率，而且能夠保證回轉面的粗糙度好，加工精度高。在處理復雜曲面時，選擇數控銑削，可靈活適應不同曲面，保證工件型線的光順性、流線性良好[1]。

1.2 刀具的選擇

選擇刀具時應綜合考慮毛坯余量、材料類型、剛性與耐用度等多種因素，銑削刀具包括端銑刀、球頭刀、插銑刀以及三面刃等若干類型，不同刀具的規格和組成存在差異。例如插銑刀的刀具直徑為32 mm，直刀伸長＞200 mm，由強力刀柄、刀體和刀片3 部分組成；而端銑刀的刀具直徑有18 mm、24 mm 兩種規格，直刀伸長＞180 mm，由強力刀柄、合金接桿、刀體和刀片4部分組成。具體見圖2。

圖2 閉式導葉輪加工用的主要刀具

選擇可用于閉式導葉輪加工的刀具時，應考慮兩個關鍵因素：其一是“R＜ρ”，即刀具半徑不超過工件輪廓內側彎曲的最小曲率半徑。如果ρ 值較小，通常是先使用大直徑刀具進行粗加工，然后再使用合適刀具進行殘留余量的精加工，或者手工打磨，使其滿足加工要求。其二是“L/R=5～7”，即刀具長徑比在5～7 之間。如果刀具長徑比＜5，會導致加工效率不高；相反，刀具長徑比＞7 甚至是超過臨界值10，在加工中會出現明顯的切削振動，加速刀具磨損并且影響工件表面質量。

2 閉式導葉輪數控加工關鍵工藝分析

2.1 深流道加工技術

深流道加工中所用刀具為特固克TT9030 型刀片，涂層成分為TiAIN（碳氮化鈦），可適用于不銹鋼、耐熱合金等毛坯材料的加工。考慮到刀具的長徑比較大，加工期間容易出現變形情況進而影響加工精度，因此必須要采取刀具補償措施。圖3 為刀具加工深流道時的受力示意圖，可以看出加工位置為斜率較大的曲面，如果刀具剛性不足，會出現明顯的“讓刀”情況，導致加工精度不足。目前常用的方法是采取在線監測方式，實時采集深流道加工中的讓刀量，然后根據精確測量結果，重新進行數控編程并進行相應的精度補償。定量補償曲面的加工余量后，使深流道加工的精度和效率都得到進一步的提升。

圖3 深流道加工刀具受力分析

在具體的加工模式上，選擇“按切削深度分段加工”模式，具體操作為：首先選用80 mm 的短刀，在流道開放處進行粗加工；當進刀達到流道封閉區域后，將短刀退出，替換成長度為200 mm 的長刀，繼續完成剩余流道封閉區域的加工。這樣一來，將深流道加工分成了開放區域和封閉區域兩段，并且分別選擇了不同的刀具，設置了不同的切深、轉速等參數，對提高深流道加工效率也有顯著效果[2]。

2.2 刀具振動的減緩措施

2.2.1 控制切削深度

閉式導葉輪加工中，切削深度與每齒進刀量、切削體積之間為正相關關系。因此實際加工中，通過適當減小切削深度，可以同步降低每齒進刀量，相應的主軸功率、切削力也會降低，加工期間刀具的振動也會明顯減輕。當然，選擇不同類型的刀具，以及不同的加工區域，適宜的切削深度也存在差異。例如，選擇刀徑為32 mm的端銑刀，在流道開放區域進行切削加工時，適宜的切削深度為0.6 mm～0.8 mm。如果取最低切削深度0.6 mm，可以達到理想的刀具減振效果。同樣的，選擇刀徑為24 mm 的端銑刀，在流道封閉區域進行切削加工時，適宜的切削深度為0.3 mm～0.5 mm，取最低切削深度0.3 mm，能夠達到刀具減振目的。

2.2.2 恒定線速度

無論加工何種類型的工件，只有使刀片與工件的相對速度（即刀具線速度）保持相對恒定，才能達到最佳切削狀態。但是在實際加工中，由于材料密度不均勻，或者加工面的曲率變化等因素的影響，使得刀具與工件接觸點的回轉直徑會不斷地變化。結合刀具線速度公式：

式中,d 表示刀尖的回轉直徑，單位為mm；n 表示主軸轉速，單位為r/min。由式（1）可知刀具線速度取決于回轉直徑和主軸轉速。當工件曲率發生變化時，d 值也會相應變化，如果n 值不變，則刀具切削線速度也會發生動態變化，這種情況下就會引起切削不穩定、刀具振動的情況。針對這一問題，可以按照曲面曲率將加工區域劃分成若干個子區域，保證回轉直徑足夠小；然后根據每個子區域的曲面曲率特征設定合適的主軸轉速，從而保證刀具線速度維持在相對恒定狀態。以刀徑為24 mm的球頭刀加工0～90°變化的曲面為例，將整個加工曲面等分成3 個子區域。其中，在0～30°區域內，刀尖的接觸點與刀尖頂點十分接近，此時回轉直徑較小，根據式（1）可知，此時應將主軸轉速調節至高速，從而維持刀具線速度恒定；在30°～60°區域內，回轉直徑增加，此時將主軸轉速設定為中速；在60°～90°區域內，回轉直徑較大，此時主軸轉速設定為低速[3]。

2.2.3 調節每齒進給量

刀具的切削力不平衡是導致刀具振動的一個主要原因。而切削力的平衡性主要取決于進給方向、每齒進給量等因素，切削力（fz）的計算公式為：

式（2）中，Vf表示進給速度，單位為mm/min；Z 表示銑刀齒數；n 表示主軸轉速，單位為r/min。在進給方向未改變的情況下，刀具每齒進給量變化，會引起刀具切削受力與主軸功率的變化，進而引起刀具切削力不平衡。針對這一問題，可使用數控機床的控制軟件加以解決。例如，使用OMAT 自適應控制系統，收集大量的機床切削參數，以供計算機進行深度學習，從而自動生成刀具進給速度的調控程序。在此基礎上，結合實時監測到的主軸功率變化信號，調用程序自動生成最佳的進給速度參數，并將該指令發送至前端，控制刀具按照該參數運行，從而實現高效、穩定切削[4]。

2.3 分段分片側銑加工技術

現階段閉式導葉輪的數控加工工藝主要有側銑、端銑兩種。端銑有助于提高葉片曲面的加工精度，但是加工速度相對較慢；側銑雖然能夠獲得較高的加工效率，但是無法消除曲面加工誤差，完成加工后工件表面粗糙度較差。因此，對于加工要求較高的閉式導葉輪，單獨使用端銑或側銑均難以達到理想的加工效果。本文提出了一種以分段分片側銑方法，采用“離散直紋面逼近”原理，分三個步驟完成自由曲面的加工：步驟一：選擇一組離散的線段，最佳逼近待加工的工件曲面。步驟二：使離散線段插值為直紋面，并確保所有線段均落在直紋面上。步驟三：調整直紋面，使該曲面盡量逼近目標曲面。基于上述原理，運用分段分片側銑加工方式，提高直紋面的擬合精度，從而兼顧工件表面加工質量和整體加工效率。在分段分片側銑加工處理下葉片凸面刀位軌跡，見圖4。在使用分段分片側銑加工時，還應關注以下技術要點：第一是側銑刀位計算誤差的控制。由于閉式導葉輪的流道曲面為非可展直紋面，通過擬合多組近似直紋面去逼近流道曲面，必然會產生逼近誤差。對于此類情況，需要在側銑加工中密切關注刀軸與工件之間形成的實際接觸線的變化情況，只有保證實際接觸線始終與理論接觸線重合，才能將逼近誤差控制在允許范圍內。第二是合理設定分段分片次數。雖然理論上來說，增加分段數、分片數會縮小加工誤差，但是會增加刀位軌跡規劃的工作量，影響加工效率。因此，需要綜合考慮加工精度、加工效率等因素，合理確定分段數、分片數，以保證最佳的加工效果。

圖4 葉片凸面分段銑刀刀位軌跡

2.4 閉式導葉輪加工結果

閉式導葉輪的數控加工結束后，還要對成品進行質量檢測。檢測內容主要包括流道型線檢測和表面粗糙度檢測。將檢測結果與圖紙設計要求進行對比，確保加工所得產品與要求一致。

2.4.1 流道型線檢測

流道型線檢測使用的是溫澤HL108 型三坐標檢測機，該儀器自帶Metrosoft CM 測量軟件，可實現對流道型線的自動、精確測量。檢測步驟為：收集閉式導葉輪的相關參數，并將參數文件導入Metrosoft CM 軟件中，這樣就能在軟件中同步生成工件的數字三維模型。使用基準球校正高精度測頭，利用一個定位面和該定位面上的2 個銷孔，構建測量坐標系。從閉式導葉輪模型的葉片曲面上選擇需要檢測的區域，進行誤差檢測。檢測完畢后，該軟件會自動生成一份流道型線檢測報告。從報告結果來看，接受檢測的閉式導葉輪，流道開放區域型線加工精度為0.02 mm，符合圖紙設計中不超過0.05 mm 的要求；流道封閉區域加工精度為0.15 mm，符合圖紙設計中不超過0.20 mm 的要求。由此可見，對于閉式導葉輪采用分段分片側銑數控加工，可以保證導葉輪的葉片型線誤差滿足要求[5]。

2.4.2 外表粗糙度檢測

觀察數控銑削加工后的閉式導葉輪產品，可以發現在其表面有刀具切削產生的刀花。雖然并不明顯，但是表面粗糙度達不到設計圖紙的要求。因此，在完成銑削加工后又增設了一道打磨拋光工序，然后進行表面粗糙度檢測。該檢測使用TIME300 型表面粗糙度儀，檢測精度可達0.01 μm，最大取樣長度2.5 mm。在閉式導葉輪的兩個葉片表面分別隨機選取3 個位置點進行粗糙度檢測，結果見表1。

表1 閉式導葉輪葉片表面粗糙度檢測結果

結合表1 數據可知，數控加工完成的閉式導葉輪葉片，其粗糙度在1.34 μm～1.82 μm 之間；經過打磨拋光處理后，其表面粗糙度有明顯提升，整體維持在0.57 μm～0.92 μm 之間。通過數據對比可以發現，側銑加工后再配合使用打磨拋光工藝，對進一步優化導葉輪的數控加工質量有積極幫助。

3 結論

多軸聯動數控加工技術被廣泛應用到工業零部件的制造中。在閉式導葉輪的數控加工中，需要從刀具選型、刀具補償、刀具減振等方面加強工藝管理，從而提高數控加工質量。同時，根據閉式導葉輪的結構特點，使用分片分段側銑加工，相比于常規的端銑加工可以獲得更高的表面精度，具有推廣應用價值。