張云玲

(上海建橋?qū)W院 機電學(xué)院，上海 201319)

0 引言

近幾年渦輪增壓技術(shù)應(yīng)用在汽車、船舶等行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，葉輪做為增壓器中最重要的零件之一，需求量也越來越大［1］。目前，這種復(fù)雜曲面的零件一般采用五軸聯(lián)動數(shù)控機床加工，五軸機床加工成本較高，周期也較長，所以大部分的壓氣機葉輪還是采用金屬砂形鑄造的方法成型，再用車床進(jìn)行車削。翻砂出來的葉輪的好壞完全取決于母輪的好壞，因此葉輪模具母輪的加工尤為重要。

1 葉輪結(jié)構(gòu)

本文研究的葉輪是是一種半開式的等長空間基元曲線葉輪，葉輪只有一種等長葉片，葉尖沒有前端蓋封閉，葉片曲面為空間自由曲面，建模需要采用非均勻B 樣條插值曲線，加工需采用自由曲面的五軸聯(lián)動數(shù)控加工［2］。

2 葉輪加工準(zhǔn)備

2.1 材料選擇

葉輪模具母輪材料的選擇很重要，其應(yīng)有良好的綜合機械性能，常溫及高溫強度、塑性、韌性都要求較高。為了保證制造模具時盡量少有殘渣，特選用美鋁7075 牌號鋁合金做為母輪的加工材料。

2.2 機床準(zhǔn)備

本文中的葉輪加工采用的是MAZAK 公司的五軸聯(lián)動立式加工中心VARIAXIS 500 5X 機床，最高主軸轉(zhuǎn)速12000 RPM，A 軸工作臺擺幅為－12° ～+3°，C 軸工作臺可以360°旋轉(zhuǎn)。切削進(jìn)給速度1 ～50000MM/MIN，是一種高速、高生產(chǎn)率、高價值的機床，能夠?qū)崿F(xiàn)中小批量、多品種、高效率的生產(chǎn)。

2.3 刀具準(zhǔn)備

圖1 葉輪加工夾具

葉輪加工中的刀具選擇比較嚴(yán)格。選擇刀具時應(yīng)考慮毛坯材料、機床、允許的切削用量、剛度和耐用度、精度要求、加工階段等因素［3］。加工整體葉輪的刀具多選擇圓錐球頭或平頭銑刀，少數(shù)也選擇端銑刀和鼓形銑刀。本文粗加工、半精加工及精加工所采用刀具均為定制圓錐球頭刀具。所有刀具材料均為硬質(zhì)合金［4］。

2.4 夾具準(zhǔn)備

考慮到實際加工的需要，夾具盡量簡單方便，本例采用如圖1所示自制簡易夾具。夾具底部與葉輪底面采用的是螺紋聯(lián)接，將夾具直接裝夾在三爪卡盤上，找正后即可進(jìn)行加工。

2.5 毛坯準(zhǔn)備

選用CKA6136 數(shù)控車床進(jìn)行外形輪廓粗加工車削，單邊留有1mm 余量。為保證同軸度、垂直度，將車削后的毛坯裝夾至五軸加工中心上，再進(jìn)行輪廓的精加工銑削［5］。

3 葉輪加工工藝方案

目前，可用于五軸加工的軟件多種多樣，本例選用的是HYPERMILL 軟件進(jìn)行刀路軌跡設(shè)置與編程。三維模型的建立在這里不做過多贅述，將做好的三維模型檔案導(dǎo)入HYPERMILL 軟件［6］。經(jīng)過分析，葉片和流道的加工路線如下:①葉輪開粗;②葉片半精加工;③流道半精加工;④葉片精加工;⑤流道精加工。

(1)葉輪開粗

由于葉輪根部的間隙比較小，較大的刀具開不到葉輪根部，如果采用較小刀具一次開到葉輪根部，效率太低，刀具也容易折斷。所以設(shè)置開粗方式為兩次開粗。

第一次開粗:所選刀具為R2 錐度3 度的球頭刀，開粗策略設(shè)置如圖2 所示，開粗策略有流道等距、流線、毛坯面等距等方式，開粗的目的是盡快的去除余量，所以選擇毛坯等距面策略，從葉輪的進(jìn)氣邊進(jìn)刀，采用雙向加工的方式進(jìn)行開粗。第一次開粗時，最大切深為2.5mm，橫向步距為2.2mm，垂直步距為2.2mm，流道余量設(shè)置為0.22mm。葉片余量為0.25mm，具體設(shè)置見圖3 所示。

圖2 葉輪開粗策略設(shè)置

圖3 葉輪一次開粗參數(shù)設(shè)置

經(jīng)計算得第一次開粗刀位軌跡，由于刀具過大，加工到一定深度會出現(xiàn)刀具與葉片干涉。所以需要換較小刀具進(jìn)行第二次開粗。一次開粗頂部限制為0，底部限制為13mm，二次開粗頂部限制為13mm，底部為0。第二次開粗所用刀具為R1 錐度為3 度的球頭刀。

圖4 開粗后實物圖

(2)葉片、流道半精加工

圖4 所示為粗加工完成后葉輪實際效果圖。由兩把刀完成整個開粗過程，由圖可看出粗加工去除了大部分材料，但葉輪表面比較粗糙，余量不均勻，所以在精加工前需要進(jìn)行半精加工。

選用刀具為R1A3 的球頭刀做為大小葉片及流道面半精加工和精加工刀具，大葉片的半精加工最大步距為0.5mm，葉片余量0.1mm，流道余量為0.15mm，主軸轉(zhuǎn)速為10000r/min，進(jìn)給速度為2000mm/min。葉片余量0.2mm。

小葉片的半精加工最大步距為0.5mm，葉片余量0.12mm，流道余量0.15mm，主軸轉(zhuǎn)速為10000r/min，進(jìn)給速度為2000mm/min。

進(jìn)行半精加工時如果參數(shù)設(shè)置不合理，可能會出現(xiàn)刀具與葉片干涉或過切現(xiàn)象，出現(xiàn)干涉的原因有很多，其中引導(dǎo)邊緣和退出邊緣的設(shè)置最常見，一般情況下，需要通過計算刀路、調(diào)整參數(shù)反復(fù)進(jìn)行，將引導(dǎo)邊緣、退出邊緣最小角度調(diào)整至最合理的范圍［7］。

流道面半精加工時，最大步距為0.5mm，葉片余量0.13mm，流道余量0.1mm，主軸轉(zhuǎn)速為10000r/min，進(jìn)給速度為2000mm/min。注意走刀方向與氣體運動方向一致。

(3)葉片、流道精加工:

大小葉片的精加工時需要注意葉片厚度與檔案相符，在進(jìn)行加工前，需要首先進(jìn)行試加工，此時葉片余量不能一次去除，先設(shè)置余量為0.05mm，加工出可測量的葉片長度，進(jìn)行葉片厚度的測量，根據(jù)實際的葉片余量做出刀路余量的相應(yīng)調(diào)整，直至葉片厚度合格為止。

大葉片的精加工設(shè)置最大步距為0.15mm，葉片余量0.00mm，流道余量0.06mm，主軸轉(zhuǎn)速為10000r/min，進(jìn)給速度為2000mm/min。小葉片的精加工設(shè)置最大步距為0.15mm，葉片余量0.00mm，流道余量0.06mm，主軸轉(zhuǎn)速為10000r/min，進(jìn)給速度為2000mm/min。用葉片精加工策略，經(jīng)計算生成的大小葉片的精加工軌跡。如圖5 所示。

(4)葉輪流道面的精加工

葉輪流道面的精加工，需要注意與葉輪的頭部外圓需要連接光滑、順暢，不能出現(xiàn)內(nèi)凹或凸起。與大小葉片的精加工同理，首先進(jìn)行試加工，通過反復(fù)調(diào)整，使流道面與葉輪頭部接順。葉輪流道面的精加工最大步距為0.15mm，葉片余量0.06mm，流道余量0.00mm，主軸轉(zhuǎn)速為10000r/min，進(jìn)給速度為2000mm/min。利用流道精加工策略，經(jīng)計算生成的流道面精加工軌跡。如圖6 所示。

加工完成的實物圖如7 所示，葉輪表面質(zhì)量良好，經(jīng)三坐標(biāo)測量儀測量結(jié)果公差在允許范圍內(nèi)。

圖5 葉片精加工刀路軌跡

圖6 流道面精加工刀路軌跡

圖7 葉輪模具母輪加工后實物

4 結(jié)論

本文以某廠家增壓器內(nèi)的轉(zhuǎn)子葉輪模具的母輪為例，采用HYPERMILL 軟件進(jìn)行了母輪加工工藝的詳細(xì)介紹，因葉輪的葉片扭曲較大，流道較窄，所以加工時容易產(chǎn)生過切。文中采用了二次開粗的方法，避免了過切，又提高了粗加工效率，對于精加工采用了試加工后測量葉片厚度，根據(jù)葉片厚度余量進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，流道面與頭部相接時，需要反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，直到流道與頭部光滑相接。加工出的母輪經(jīng)三坐標(biāo)測量，誤差在允許的范圍內(nèi)，已應(yīng)用于葉輪模具的制造。

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