鈦合金整體葉輪高效加工工藝研究

引言

整體葉輪是航空、航天、航海發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件，其零件的主要材料是鈦合金和高溫合金，鈦合金葉輪 多用于航空發(fā)動機(jī)的冷端部分（風(fēng)扇和壓氣機(jī)等），而高溫合金葉輪主要應(yīng)用在熱端部分（渦輪機(jī)等）[1] 。這類葉輪形狀復(fù)雜、葉片較薄，加工耗時長、效率低，因而加工成本高。所以，改進(jìn)鈦合金整體葉輪的加 工工藝，提高加工效率和加工質(zhì)量、降低加工成本是非常有必要性的。

1、整體鈦合金葉輪數(shù)控加工工藝分析

某發(fā)動機(jī)整體鈦合金葉輪如圖1所示。葉輪直徑為180mm，葉片長度為42mm、厚度為2mm，葉輪上葉片與 葉片之間的最小距離僅有4.5mm。由于該葉輪的葉片長而薄，曲面扭曲大及葉片間距小，如果直接采用Powermill的葉盤編程模塊的葉盤區(qū)域清除模型來粗加工，雖然可以實(shí)現(xiàn)葉輪的五軸聯(lián)動粗加工，做到 余量均勻，加工軌跡平緩［2]，但是由于葉片與葉片之間的最小距離只有4.5mm，只能選用直徑4mm的刀具開 粗加工，顯然，對于鈦合金類難加工材料這樣開粗效率很低，而且細(xì)長刀具剛性差，容易折斷。因此，葉輪 加工效率的提高主要是粗加工效率的提高，由于只能使用球頭刀進(jìn)行加工，這就存在加工效率低的情況。

圖 １　 整體鈦合金葉輪

經(jīng)過多次切削實(shí)驗(yàn)表明，采用“3＋2”定軸加工來實(shí)現(xiàn)葉輪的粗加工，同時選用較大直徑的圓角銑刀和 錐度銑刀在加工效率上比五軸聯(lián)動開粗會有很大的提升空間。

對于一般的葉輪流道，如果葉片的曲率不是很大，往往兩個視向的定軸開粗就可以完成葉輪流道的粗加 工，但是本葉輪的葉片曲面扭曲過大，二次定軸開粗不能有效地去除殘料，需要考慮通過三次定軸開粗來完 成流道的粗加工。以三個完全能夠清除流道毛坯視角分別定義三個不同的工作坐標(biāo)系，然后以三個不同坐標(biāo) 的Ｚ向矢量來定義三個定軸開粗刀路的刀軸矢量［3]。開粗完成后，采用Powermill的葉輪模塊進(jìn) 行輪轂和葉片的精加工。綜上所述，制定的整體鈦合金葉輪數(shù)控加工工藝方案如表1所示。

2、葉輪數(shù)控加工編程過程

2.1　編程準(zhǔn)備

順利進(jìn)行程序編寫前需要對加工零件進(jìn)行一些必要的準(zhǔn)備工作，如設(shè)置加工坐標(biāo)系、建立毛坯、建立加 工刀具等。

2.1.1　建立毛坯

為減少葉輪的加工時間，毛坯可以先在數(shù)控車床上加工到位，五軸加工只是加工流道中的材料，所以可 以在數(shù)控車床上把葉輪的端面、臺階面、子午面（套面）等先加工出來，如圖2（ａ）所示。根據(jù)“3＋2” 定軸開粗加工工藝，流道槽的開粗是逐個開粗，因此編程時只需要創(chuàng)建一個流道的毛坯即可，如圖2（ｂ） 、圖2（ｃ）所示。

圖 ２　 葉輪毛坯

創(chuàng)建的毛坯在ＮＸ軟件中設(shè)置好后導(dǎo)出，在Powermill中通過“三角形模型”打開毛坯，具體 操作步驟如下：單擊工具欄上“毛坯”按鈕，系統(tǒng)彈出“毛坯”對話框，選擇“三角形”毛坯，指定打開毛 坯路徑輸入毛坯。

2.1.2　刀具選用

數(shù)控加工的刀具不僅需要剛性好、精度高，而且要求尺寸穩(wěn)定，耐用度高，斷屑和排屑性能好，同時要 求安裝調(diào)整方便，以滿足數(shù)控機(jī)床高效率的要求［4]。結(jié)合本葉輪的加工要求，粗加工時采用D10R2的圓 角刀片式銑刀，二、三次開粗和精加工時為了提高刀具的強(qiáng)度，采用R3T3、R2T3錐度銑刀，如圖3所示 。

圖 ３　 選用刀具

編程時需要根據(jù)實(shí)際刀具尺寸和刀柄的尺寸設(shè)置刀具和夾持，才能保證編寫的刀軌能用于實(shí)際加工。

2.2　“3＋2”定軸開粗

零件的粗加工是要盡快地去掉多余的材料，由于本葉輪的曲面扭曲大，葉片間距小，如果采用五軸聯(lián)動 開粗，則可用刀具的直徑最大為4mm，開粗效率低，機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的擺動幅度大，機(jī)床穩(wěn)定性差，振動大，加 劇了刀具磨損，縮短了刀具使用壽命。因此，采用“3＋2”定軸方式開粗，減少旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動，效率大大提 高。經(jīng)過分析和多次驗(yàn)證，需三次開粗才能去掉多余的材料，第一次開粗選用D10R2的刀具去掉寬敞部位 較多的材料并添加到殘留模型作為下一次開粗的毛坯；然后用R3T3的錐度銑刀變換定向角度第二次開粗， 同樣將其添加到殘留模型；由于葉片與葉片之間最小距離只有4.5mm，還需要用R2T3的錐度銑刀進(jìn)行第三 次開粗，設(shè)置參數(shù)為：Tolerances（公差）0.1，Z軸下刀采用斜向進(jìn)刀，勾選Profile Smoothing（輪廓光順），Corner Radius（拐角半徑TDU）0.1，SmoothingAllowance（光順余量）15％左右。三次開粗加工的參數(shù)設(shè)置和刀路軌跡以及加工效果如 圖4～圖６所示。

圖４第一次開粗

圖５第二次開粗

圖６第三次開粗

經(jīng)過上面步驟，就可以完成一個流道的開粗，其余流道的開粗可以通過上面刀軌的變換來實(shí)現(xiàn)開粗，即 刀軌旋轉(zhuǎn)40°就加工下一個流道。這種方法開粗刀軌看起來有點(diǎn)亂，但是加工效率很高，經(jīng)實(shí)際加工驗(yàn)證， 這種開粗方法比五軸聯(lián)動開粗節(jié)約了70min左右，大大提高了生產(chǎn)效率，延長了刀具的使用壽命，從而節(jié)約 了成本，具有很高實(shí)用價值。

2.3　葉輪精加工

經(jīng)過三次粗加工后，基本上去除了多余的材料，接下來就可以直接用Powermill的葉輪模塊編 程。考慮到粗加工留下的余量不均勻，采用分層法精加工葉片，同時對一個流道的三個葉片（左葉片、右葉 片和分流葉片）分層加工，這樣可以減少刀具側(cè)刃與不均勻毛坯材料的碰撞，保證加工的穩(wěn)定性。所以，精 加工時先用R3T3的刀具對葉片上部精加工（如圖7（ａ）所示），加工不到的位置再用R2T3刀具加工（ 如圖7（ｂ）所示），最后進(jìn)行葉片清根加工（如圖8（ａ）所示）和輪轂（流道）精加工（如圖8（ｂ）所 示）。

圖 ７　 葉片精加工

圖 ８　 葉片清根加工和輪轂精加工

3、后置處理和Vericut仿真切削驗(yàn)證

利用Vericut仿真軟件進(jìn)行仿真切削驗(yàn)證，確認(rèn)程序代碼無誤后將程序拷貝到數(shù)控機(jī)床進(jìn)行實(shí)際 加工。利用Powermill軟件后處理文件把已經(jīng)編寫好的刀路軌跡生成數(shù)控機(jī)床加工程序代碼。在Vericut軟件中構(gòu)建好G996RT五軸加工中心仿真模型，運(yùn)動鏈樹形圖和虛擬機(jī)床模型如圖9、圖10所示。調(diào)入程序代碼，設(shè)置好刀具、坐標(biāo)系等參數(shù)后進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖11所示。結(jié)束后對仿真結(jié)果（切削模型）進(jìn)行對比分析，檢查零件有無過切、欠切等情況，如果對比分析結(jié)果不理想，則需要調(diào)整或更換數(shù)控加工程序，直至切削模型與設(shè)計原型一致［5]。

圖 ９　 運(yùn)動鏈樹形圖 圖 １０　 虛擬機(jī)床模型

圖１１仿真結(jié)果

4、結(jié)束語

本文分析了整體鈦合金葉輪在五軸機(jī)床加工過程，為了降低加工成本，提高加工效率和零件質(zhì)量，提出 一種全新的粗加工工藝規(guī)程，即以不同的角度，多次采用“3＋2”定軸方式開粗去除大部分的材料，解決了 五軸數(shù)控機(jī)床加工費(fèi)用高的問題，采用分層法實(shí)現(xiàn)了整體鈦合金葉輪在五軸機(jī)床上高轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給地加工。

實(shí)際加工表明，該工藝方案能高效率、高質(zhì)量地完成整體鈦合金葉輪的數(shù)控加工［６]。

參考文獻(xiàn)：

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