吳 雁，呂博鑫，鄭 剛

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，上海 201418）

徑流式整體葉輪五軸高速加工工藝及參數(shù)優(yōu)化*

吳 雁，呂博鑫，鄭 剛

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，上海 201418）

論述了徑流式整體葉輪加工工藝過程中的制造難點，基于UG NX軟件對整體葉輪進行CAD建模及刀具軌跡規(guī)劃，以生產(chǎn)實際為導(dǎo)向，探索了整體徑流式葉輪加工工藝方法，優(yōu)化了加工工藝參數(shù)，減小葉輪變形，有效防止過切、欠切、干涉等工藝問題，縮短了葉輪加工時間，大幅度提高了整體葉輪加工效率，實現(xiàn)該系列徑流式整體葉輪零件的工藝提升，對類似葉片類曲率扭轉(zhuǎn)較大的復(fù)雜零件的加工有一定的指導(dǎo)意義。

UG NX；徑流式整體葉輪；高速加工；參數(shù)優(yōu)化

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，航空航天、船舶制造、醫(yī)療器械等領(lǐng)域的高精尖設(shè)備越來越多地運用到整體葉輪系零部件，整體葉輪制造質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響其機械性能。由于整體葉輪零件結(jié)構(gòu)的特殊性，從部件的設(shè)計、加工制造到檢測維修長期以來都是困擾廣大工程技術(shù)人員的難題。目前國內(nèi)的眾多專家、學(xué)者和工程師在該領(lǐng)域進行了大量的研究，如：朱利民等對五軸整體葉輪側(cè)刃銑削進行了研究，提出了側(cè)銑加工刀具尺寸優(yōu)化和刀具路徑光順策略，解決了葉輪類零件側(cè)銑刀具路徑規(guī)劃時容易產(chǎn)生干涉和不光順軌跡的問題［1-4］；王晶等對復(fù)雜曲面零件五軸加工刀軸整體優(yōu)化方法進行了研究［5］；梁全等對軸流式葉輪端銑加工刀具軌跡生成進行了研究，改進了參數(shù)篩選法確定刀具軌跡步長的算法，縮短了生成程序的長度，提高了加上效率［6］；陳良驥等提出了一種適合于直紋面葉片五軸加工的刀軸矢量計算方法提高了整體葉輪的五軸編程和加工的能力［7］；鄭峰等、賀明等也對復(fù)雜曲面整體葉輪的制造進行了研究［8-9］。目前國內(nèi)擁有制造能力的機構(gòu)只有少數(shù)院校和部分專業(yè)企業(yè)，且工藝技術(shù)水平較發(fā)達國家而言尚具有較大差距，因此研究高性能整體葉輪制造工藝技術(shù)勢在必行。

葉輪五軸聯(lián)動整體高速加工是指葉輪毛坯采用鍛壓件，經(jīng)過車削形成葉輪毛坯體基本形狀，在一臺具有良好動態(tài)性及穩(wěn)定性全閉環(huán)控制系統(tǒng)高速五軸聯(lián)動加工中心上使輪毅與葉片在一個毛坯上一次加工成型。從毛坯投入通過粗、精加工的工藝過程，材料的總?cè)コ矢哌_90%以上，受到較大切削力、切削熱和金屬纖維的斷裂、變形影響最終造成整體葉輪葉片曲面、流道曲面變形較大，從而影響整體葉輪的動平衡性能和產(chǎn)品性能，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致葉片斷裂，因此要制造出高度還原設(shè)計理念符合技術(shù)文件要求的葉輪，需要良好的工藝作保障。當(dāng)前的整體葉輪五軸數(shù)控編程加工研究較多的是通過變換算法提高葉輪加工效率，而本文將以典型徑流式交錯葉片整體葉輪為例，以生產(chǎn)實際為導(dǎo)向，探索徑流式整體葉輪加工工藝方法，優(yōu)化加工工藝參數(shù)，防止過切、欠切、干涉等工藝問題，減小葉輪變形，提高整體葉輪加工效率，實現(xiàn)該系列整體葉輪零件的工藝提升，保證良好的產(chǎn)品質(zhì)量、性能及設(shè)計理念。同時，提高生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的可靠性。

1 徑流式整體葉輪建模

應(yīng)用UG NX軟件中的CAD造型模塊，根據(jù)葉輪技術(shù)文件中葉片、輪毅的參數(shù)及技術(shù)要求進行三維造型。將所有型值點的點位信息輸入一個.dat數(shù)據(jù)文件中，使用UG軟件樣條曲線功能中導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件中的點信息可以得到可用的點云數(shù)據(jù)，對型值點采用3次B樣條進行擬合，再通過橋接或者草圖編輯擬合成可用的樣條曲線從而得到葉頂、葉根曲線，通過曲線組即可得到葉片實體模型。提取葉冠曲線利用CAD系統(tǒng)特征操作中的回轉(zhuǎn)功能，即可生成整體葉輪的毛坯外形，為方便制造裝夾，在葉輪毛坯底部留工藝夾頭，精加工完畢后將在下一道工序利用精鏜的大包容軟爪裝夾葉輪對工藝夾頭進行車削切除。毛坯及葉輪造型如圖1所示。

圖1 毛坯及整體徑流式葉輪造型

2 整體葉輪高速加工工藝性分析

2.1 葉輪工藝路線規(guī)劃

本例葉輪中，需加工的區(qū)域主要有葉輪葉片、流道及葉根圓角，為保證葉輪的制造精度、表面質(zhì)量、加工效率并最大限度地還原設(shè)計理念，需遵循工序集成、基準(zhǔn)先行、先粗后精、先主后次，分面加工和先面后孔的工藝設(shè)計原則［11］。加工工序路線流程如圖2所示。

圖2 葉輪加工工序流程圖

葉輪開粗的大吃刀量切削采用三軸粗加工和五軸粗加工分步進行，三軸銑削粗加工用以去除毛坯大部分余量，方便在五軸銑削粗加工時能夠快速進刀，減小刀具的進刀切削阻力，降低切削震動，提高切削效率，延長刀具壽命。五軸銑削粗加工可保證葉輪加工尺寸精度的穩(wěn)定性，均勻葉片及流道余量，穩(wěn)定流道的尺寸精度型面，為精加工做準(zhǔn)備［10］。

2.2 數(shù)控機床的選擇

葉輪零件的高速整體加工對五軸加工中心有著極高的要求，需選用有良好動態(tài)性和穩(wěn)定性且具有全閉環(huán)控制系統(tǒng)的五軸加工中心設(shè)備。寬導(dǎo)軌和低重心設(shè)備具有較好的穩(wěn)定性，更適合線性軸的高速運動和高加速度運動。由于高速運動的特殊性，除了要保證機床的剛性之外，應(yīng)盡量減少運動慣量，使坐標(biāo)的固有頻率提高到最大程度，得到更高的閉環(huán)增益，在高速加工中，使機床的跟蹤誤差趨于最小值，最終提高加工的精度和質(zhì)量。

本例中采用意大利FIDIA HS664RT搖籃式五軸聯(lián)動加工中心進行加工，該機床主軸最高轉(zhuǎn)速達22000r·min-1，最大加速度為5m/sec2。

2.3 整體葉輪加工刀具選擇

葉輪加工一般采用R角立銑刀、球頭立銑刀、錐度球頭刀進行加工，在刀心軌跡計算上球頭刀和錐度球頭刀兩者沒有區(qū)別，但在刀軸矢量計算上兩者存在區(qū)別，即在球頭圓柱立銑刀的刀軸矢量上從球頭圓柱立銑刀接觸的直紋線向外偏轉(zhuǎn)一個錐角α［10］。由于整體葉輪零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，考慮到刀具懸伸長徑比極大，為提高刀具剛性和切削效率，故使用錐度球頭刀進行加工。

另外，目前銑削加工可選用的刀具材料一般有TiCN基硬質(zhì)合金、硬質(zhì)合金、PCD材料、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂層刀具等。不同的刀具材料針對不同的母材切削適應(yīng)性不同，對于鋁合金材料的零件來說，最適合對其進行加工的刀具材料是PCD材料，但由于其造價昂貴，一般采用由超細(xì)或極細(xì)微粒硬質(zhì)合金粉末燒結(jié)的整體硬質(zhì)合金刀具進行制造。本例葉輪材料為2A50鋁合金，該高強度鍛鋁具有較高的可塑性，在淬火及人工時效后的強度與硬鋁相似，切削性能及工藝性能較好。綜合以上所述本例葉輪各工序所選擇的刀具如表1所示。

表1 整體葉輪加工刀具表

2.4 整體葉輪切削參數(shù)的選擇與優(yōu)化

銑削參數(shù)主要有銑削速度（v）、銑削深度（ap）、銑削寬度（ae）、每齒進給量（af）、每轉(zhuǎn)進給量（f）、進給速度（af）等給定，各參數(shù)的計算公式由以下公式給出［12］：

式中：Cv為常數(shù)，與工件材料、刀具材料、銑刀種類及加工條件有關(guān)；m、x、y、u、p與工件材料、刀具材料及銑刀種類有關(guān)；t為銑刀耐用度，與銑刀種類有關(guān)；d0為銑刀外徑；z為銑刀齒數(shù)；n為銑刀轉(zhuǎn)速。

銑削參數(shù)的選擇直接關(guān)系到零件加工質(zhì)量的好壞，參數(shù)的選擇順序是［12］：ap→af→vf，切削表面的寬度一般盡可能一次銑出。從銑刀的磨損規(guī)律出發(fā)，加工參數(shù)的選擇原則盡可能取較大的ap、ae、af和vf。總體來說，粗加工時零件余量較大，主要考慮刀具的剛性、耐用度及余量去除效率；而精加工因余量較小，加工要求精度較高，表面質(zhì)量要求較高，主要考慮切削參數(shù)對加工質(zhì)量影響，提高加工精度和表面質(zhì)量。在整體葉輪實際生產(chǎn)過程中，不敢使用大吃刀量快進給進行切削，主要是因為每層的首刀為滿刀切削，大進給量滿刀切削會帶來切削振動、刀具壽命損耗等諸多問題，嚴(yán)重時會使刀具崩刃、折斷，零件報廢。表2為優(yōu)化前的加工內(nèi)容及切削參數(shù)。UG NX軟件提供切削過程中工藝參數(shù)的詳細(xì)設(shè)置，優(yōu)化后減小首刀切削進給量，提高主軸轉(zhuǎn)速及剪切進給量，加大切削深度，切寬可提升至刀具直徑的60%～80%。經(jīng)過多次加工實驗，最終確定優(yōu)化后的加工內(nèi)容及切削參數(shù)如表3所示。

表2 優(yōu)化前的整體葉輪加工內(nèi)容及切削參數(shù)表

表3 優(yōu)化后的整體葉輪加工內(nèi)容及切削參數(shù)表

3 整體徑流式葉輪刀具軌跡規(guī)劃

3.1 整體葉輪粗加工刀具軌跡規(guī)劃

UG NX7.5軟件在合理地指定刀毅、護罩、刀片、刀片圓角、分割機等部件后即可較快地編輯出合理的刀具軌跡，經(jīng)過一系列的參數(shù)調(diào)整，可最終形成如圖3所示的具有可加工性的光滑粗加工刀具軌跡。由于本葉輪葉片曲率大且流道過于狹窄，尺寸太大的刀具不能進入流道底部，過去采用錐度銑刀分兩層銑削，如表2加工內(nèi)容所示，優(yōu)化后加入一把剛性較好的φ6R3圓柱球刀，以大吃刀量進行余量去除，能大幅提高切削效率，所以在工藝上采取分三層銑削的方法，如表3加工內(nèi)容所示，即先使用圓柱球刀去除流道上層50%余量后，使用錐度球頭刀切除50%～70%的余量，最后使用較小的錐度球頭刀完成剩余余量的去除。粗加工刀軌如圖3、圖4所示，這樣既可以保證加工效率，又能保證刀具使用壽命。

圖3 整體葉輪三軸粗加工刀具軌跡

圖4 整體葉輪五軸粗加工刀具軌跡

3.2 整體葉輪精加工刀具軌跡規(guī)劃

在流道精加工刀具軌跡規(guī)劃中，為提高流道曲面的面輪廓精度保證加工表面質(zhì)量，滿足技術(shù)文件中流道曲面精加工的特殊技術(shù)要求，與之相關(guān)的參數(shù)設(shè)定如：刀軸空間擺角參數(shù)、刀具切削最大步長、零件的內(nèi)、外公差參數(shù)等可選擇小一些［10］，提高刀軌光順百分比和刀軸光順百分比數(shù)值，合理設(shè)置側(cè)刃安全傾角等控制刀軸擺角的參數(shù)，這樣可在拐角劇變處增加過度的刀位，降低刀軸擺角變化幅度，使刀具軌跡圓滑細(xì)膩，降低機床工作振動，改善加工零件質(zhì)量。在上道工序加工過后表面余量不均勻的情況下，可通過部件余量偏置設(shè)置控制流道曲面余量多層加工。在流道精加工程序編制中，為提高葉輪零件流道曲面的銑削加工精度，保證加工質(zhì)量及光順規(guī)整刀具切削紋理，可以靠切削步數(shù)來控制。圖5為葉片及流道的精加工刀軌。

圖5 整體葉輪流道和葉片精加工刀具軌跡

4 加工實驗

本例葉輪使用上述方法編制的刀軌路徑依據(jù)表3中優(yōu)化的工藝參數(shù)在FIDIA HS664RT高速五軸聯(lián)動加工中心上進行切削實驗，加工過程如圖6所示。

圖6 徑流式整體葉輪加工實驗

優(yōu)化前后所需加工時間如表4所示。

表4 優(yōu)化前后的時間對比

表4中可以看出，優(yōu)化前整個葉輪的加工時間需要8.56個小時，在保證精度的情況下優(yōu)化后所需工時為3.2個小時，節(jié)省時間比率達到62.6%。實驗證明經(jīng)過優(yōu)化切削參數(shù)后，制造時間成本降低，機床的使用效率提高，取得了非常明顯的效果。此外整體葉輪的加工精度能完全達到圖紙尺寸要求，最好的還原了零件的設(shè)計理念，從而證明該整體葉輪數(shù)控加工方案、切削參數(shù)及程序的可行性。

5 結(jié)束語

本文基于UG NX軟件對整體葉輪進行CAD建模及刀具軌跡規(guī)劃，以生產(chǎn)實際為導(dǎo)向，探索了整體徑流式葉輪加工工藝方法，優(yōu)化了加工工藝參數(shù)，減小葉輪變形，有效防止過切、欠切、干涉等工藝問題，縮短了葉輪加工時間，大幅度提高了整體葉輪加工效率，實現(xiàn)該系列徑流式整體葉輪零件的工藝提升，較好地保證了產(chǎn)品質(zhì)量、性能及設(shè)計要求，對類似葉片類曲率扭轉(zhuǎn)較大的復(fù)雜零件的加工有一定的指導(dǎo)意義。

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（編輯 趙蓉）

Five-Axis High-speed Machining Process and Parameter Optimization of Radial Flow Integral Impeller

WU Yan，LV Bo-xin，ZHENG Gang
（School of Mechanical Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai201418，China）

Mainly illustrates the difficulties exposed in manufacturing process of radial flow integral impeller.The whole research is carried out via UG NX so as to get the CAD models and the tool path planning of the impeller.Aiming to popularize the method in practical production，explores the techniques in the manufacturing process of the integral impeller.Since the process is optimized，the deformation of the impellor is alleviated.Issues like excessive cutting，deficient cutting，or interference can be avoided consequently.The machining time is shortened and the machining efficiency is greatly elevated.The optimized processing techniques of radial flow integral impellers.The presented method provide an enlightening instruction on the manufacturing process of complicated components with large curvature.

UG NX；radial flow integral impeller；high-speed machining；parameter optimization

TH164；TG506

A

1001-2265（2015）10-0131-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.10.036

2014-12-17；

2015-02-06

國家自然科學(xué)基金青年基金（51405304）；上海市高校青年教師資助計劃項目（ZZyyy12003）；上海市教委科技創(chuàng)新項目（14YZ143）

吳雁（1970—），女，上海人，上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院副教授，上海交通大學(xué)工學(xué)博士，研究方向為先進制造技術(shù)、微納米PVD涂層，（E-mail）wuyan613613@126.com；通訊作者：呂博鑫（1989—），男，上海人，上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院碩士研究生，研究方向為復(fù)雜曲面先進制造技術(shù)，（E-mail）lbx1225@163.com。