航空精密小叶轮数控加工技术

【摘要】精密小叶轮在油泵中高转速工作，设计人员根据复杂的空间流体动力学理论设计出符合流体流动规律的叶片形状，因而叶片形状复杂，是复杂曲面零件的典型代表，而且公差要求高，只有严格...

摘 要： 航空精密小叶轮的零件结构特殊，尺寸规格小，叶片极薄，叶片间空间小，圆角小，精度要求高，加工中极易出现断刀、尺寸超差、光度超差等问题，加工难度大，已成为实际生产中的瓶颈。主要针对这种精密小叶轮零件的机械加工部分，确定工艺方案，充分利用数控设备，确定合理的走刀路线，运用UG建模，后置处理生成加工程序，反复调试、试切，优化数控程序，最终实现精密小叶轮的数控加工，并且该数控加工技术可以推广到其它十余种同类零件的加工中，具有一定的工程实用价值。

关键词： 精密小叶轮；数控加工；变形

精密小叶轮是在油泵中高转速工作，材料为16Cr3NiWMoVNbE，

材质较硬，而且结构特殊，叶片极薄，精度要求高，加工时极易变形；叶片与叶片之间的基体要求为曲面，而基体与叶片之间小圆角光滑转接，易产生应力集中，在工作中产生裂纹；叶尖部分是由不同曲率半径构成的空间曲面，相关尺寸精度要求高，加工难度大，是零件制造的难点之一。针对零件的加工难点，充分利用数控设备，运用UG软件进行建模、编程，反复调试、试切，优化数控程序，最终实现精密小叶轮的数控加工，并且该数控加工技术可以推广到其它十余种同类零件的加工中。

1 航空精密小叶轮的加工难点

精密小叶轮在油泵中高转速工作，设计人员根据复杂的空间流体动力学理论设计出符合流体流动规律的叶片形状，因而叶片形状复杂，是复杂曲面零件的典型代表，而且公差要求高，只有严格按照图纸要求加工出的叶轮，才能满足整台发动机的性能要求。叶轮零件的叶片型面薄壁且弯曲，对其表面的完整性有着严格的要求，对叶片与基体转接处的应力也需要严格控制，避免工作中产生裂纹。我们所研究的叶轮结构特殊，属于整体叶轮，加工时装夹困难，薄壁叶片加工时极易变形，叶尖处为了减小工作时的阻力，提高转速，还设计为上下倒角的型面，不易加工。叶轮零件主要结构如图1所示，结构看似简单，实际加工难度极大。

1.1 叶轮基体的加工

叶轮基体部分的加工既要保证设计图要求的尺寸结构，如花键、孔、槽等，但也要兼顾加工叶片时的基准问题，因此基体部分加工工序安排的先后、加工精度对叶片加工有很大影响。

1.2 薄壁叶片部分的加工

作为整体叶轮，其相邻叶片的流道较小，是空间曲面，而且在径向上随着半径的减小，相邻叶片间的流道越来越窄，因此，加工叶轮叶片曲面时，除了刀具与被加工叶片之间发生干涉外，刀具也极易与相邻叶片发生干涉；由于整体叶轮叶片的厚度较薄，1mm左右，在加工过程中存在比较严重的弹塑性变形。

1.3 叶片的弯曲

根据设计图要求，叶片机械加工完成后，要有一个弯曲的角度，如图2所示。

2 叶轮的加工

2.1 工艺方案的制定

在试验加工之前，根据叶轮设计图，主要加工路线如下：

粗铣叶片半精铣叶片精铣叶片精铣叶尖倒角钳工修磨弯曲前检验弯曲叶片。

2.2 加工设备的选择

按工艺规程，上述铣削加工安排在四坐标加工中心上进行，利用专用铣刀及机夹刀具。

2.3 设备及工艺方案的论证

按最初制定的工艺方案，叶型部分在四坐标加工中心上用T型铣刀和端铣刀加工，由于设备功能所限，无法实现四轴联动，需要先粗铣去余量，再半精铣铣出基本叶型，然后小切削余量精铣叶片，此时对切削力、切削余量、切削速度都要进行严格控制，防止叶片变形。同时，由于叶片根部圆角较小且需光滑转接，加工时又要避免应力集中产生裂纹，因此加工难度很大，加工后还需要钳工修磨，还要铣削叶尖部分的两面倒角。一个叶轮零件的叶型部分加工下来至少需要10小时以上，而且合格率较低。

经过分析研究，选定了UCP600五坐标加工中心，采用软三爪快速装夹。根据选定的设备，调整了叶轮加工工艺路线：

铣叶片及叶尖倒角钳工修整弯曲前检验弯曲叶片。

2.4 方案的实施

2.4.1 叶片的加工

文中所研究的航空精密小叶轮的叶片厚度均一，没有锥度和曲率变化，属于最基础的直线元构型，因此从数控线接触加工的原理出发，研究刀具面族、刀具轴迹面和特征线的构造方法；在深入分析被加工曲面局部特征的基础上，提出了采用球头铣刀在扫描面上规划刀具路径的方法，进而利用UG建模，构造出叶轮的基本形状，如图1所示。构建出叶轮的模型后，需要制定合理走刀轨迹，进行数控加工编程，选择合适的刀具，确定最佳的切削参数。

根据零件的结构和材料的特点，综合考虑加工质量、加工效率和刀具寿命，制定了出粗加工、半精加工、精加工的铣削小叶片的数控加工路线。在编程时，不仅考虑到保证零件加工质量，如何实现高效加工也是要解决的问题之一。而数控加工增效的技术途径之一就是选择合理的切削参数。高效数控加工在选择转速、进给、切深综合优选时，存在多个切削稳定区，在此区域内选择的切削参数一般都可以保证零件质量，但效率却大大不同。对此次叶轮零件的加工，大胆地改变传统加工的思维模式，选择较高转速和进给的加工稳定区域，加工效率大大提高。同时，由于叶片属于薄壁结构，极易变形，通过选择较高的主轴转速，降低了切削力，减少了叶片变形，从而提高了零件加工质量。

铣削叶片时，按流道和叶身分成粗加工——半精加工——精加工，其走刀轨迹，如图3所示：

程序形成后，利用试件进行试加工，先是空走程序验证程序的进刀点、退刀点选择是否正确，同时检验刀具是否干涉。经过反复调试程序，确定了最后的加工程序，进行了零件的加工。按上述方案及切削参数，最终实际纯切削时间缩短为180分钟。

加工出的叶片表面粗糙度符合设计图纸的要求，不需要再进行手工抛光，加工时间也会大大缩短。由于程序量较大，而叶轮5个叶片相同，数控程序可以采用循环调用，节省设备储存量，因此生成的数控程序为加工一个曲面的程序。

2.4.2 叶片的弯曲

叶片加工合格后，需将叶片弯曲成图2中的结构。叶轮零件整体尺寸较小，分布着5个叶片，而叶轮零件材料为16Cr3NiWMoVNbE，属于新材料，热处理后硬度较高，在弯曲时易产生裂纹或断裂，还要考虑叶片弯曲后的回弹问题，因此在弯曲成型模具的设计时采用涨块型模具，通过反复修磨模具，最终完成了叶片的弯曲。

3 分析与结论

通过论证、分析并经试加工，完成了叶轮加工工艺的攻关，制定了新的、切实可行的工艺方案，在五坐标加工中心上进行叶轮的加工，利用UG建模、编程，采叶轮流道与叶身分别粗精加工，并选择合理的走刀轨迹、切削参数，经过反复调试，加工出了合格零件，从而掌握了航空精密小叶轮零件数控加工技术，为今后同类件的研制做了技术积累；同时按此方案加工一个叶轮，纯切削时间为3小时，相较于最初方案的10小时加工一个零件，效率提高了3倍有余，加工质量也得到了保障，解决了叶轮加工的瓶颈问题。

参考文献：

[1]《透平机械现代制造技术丛书》编委会，《结构件制造技术》，科学出版社.

[2]陈日曜主编，《金属切削原理》，机械工业出版社.