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开式三元叶轮高效率数控粗加工策略

魏国家 裴立群 雍建华 毕海波 / 沈阳鼓风机集团有限公司    
摘要:论述了五轴数控粗加工的高效铣削策略和关键技术,对于影响数控粗加工效率的主要因素进行了分析,对于高速钢铣刀和硬质合金铣刀采用侧铣和插铣数控加工方法以及刀具选择进行了简要叙述,并且通过大量三元叶轮实际加工总结了一种面向三元叶轮加工特征、考虑刀具寿命的粗加工策略的原则,使三元叶轮的加工效率大大提高。
关键词:三元叶轮;离心压缩机;粗加工;数控加工;铣削
中图分类号: TH45 文献标志码:B
Study of High Efficiency Numerically Controlled Rough Machining Strategy for Open 3D Impeller
Abstract: This paper discussed the high efficiency machining strategy and the key technology of five axis numerically controlled rough machining. The main factors that affect the machining efficiency were analyzed and the flank milling with high speed steel cutting tool and plunge milling with carbide cutting tool as well as the selection of cutting tools were briefly discribed. A principal of rough machining strategy which considering the machining features of 3D impeller and the tools’ life is concluded based on large quantity of 3D impeller machining experience, which made the machining efficiency of 3D impeller improved largely.
Key words: 3D impeller; centrifugnl compressor; roughing machining; numercally controlled machining; milling
0  引言
  随着离心压缩机和鼓风机技术的不断提高,作为其“心脏”部件的三元叶轮制造越来越多,为了适应对三元叶轮的高精度、短周期、低成本的要求,如何提高三元叶轮的数控加工效率成为一个亟待解决的问题。三元叶轮铣前为整个毛坯料,粗加工的目的在于快速去除大部分材料余量,以提高生产率,同时为后序加工创造条件,目前在三元叶轮加工中,80%左右的时间花在粗加工上,因此从缩短交货期和降低生产成本方面,粗加工已经成为重要加工阶段。经过多年的生产实践研究总结了一整套高效数控粗加工方案,本文就方案的关键技术加以简述。
1 三元叶轮高效数控粗加工方法和关键技术
1.1 三元叶轮的几何构造

  离心压缩机、鼓风机三元叶轮一般叶片型式分为直纹面和自由曲面。直纹面是由一条直线连续运动所生成的曲面,它可以由方程式表达出来;自由曲面型式的叶片没有严格的数学公式表达,它是设计人员根据气体动力学原理,通过大量计算,得出叶片吸力面和压力面上的离散数据点。但是不论是哪种叶片曲面型式,它的叶轮几何构造均由叶片压力面、吸力面、盖盘线、轴盘线、圆头几何构造、轮毂和叶片根部圆角这几个部分组成(见图1),而且在粗加工方法上也无大的差别。下面介绍我公司合金钢KMN材料和不锈钢FV520B材料的三元叶轮在高效数控粗加工过程的主要数控加工策略和关键技术。

1.2 主要高效加工策略和关键技术
  如何形成效率高的三元叶轮粗加工,有几种因素要考虑,一个很好的加工方案应该考虑如下几个因素:工件、夹具、主轴转速、进给量、刀具材料、刀具几何形状、刀具的走刀方式、切削液流畅情况以及机床性能,这些都需要认真地考虑,才能高效加工出完美的三元叶轮。
  对于加工方式和刀具选择有两种粗加工方式,一种是侧铣,另一种是插铣(见图2)

三元叶轮的粗加工方法,无论是采用侧铣还是插铣,无论是三角形、条形,还是U形加工路线,总的加工原则是直径大的刀具铣削较宽的区域,直径小的刀具铣削较窄的区域;叶片在轮毂附近的区域,通过刀具路线较短;空走刀的路径尽量减少(见图3),U形走刀路线的好处在于省去开槽走刀,使刀具的摆角为拖刀方式加工,对于减少磨损和机床的性能发挥、进给率的加快都有好处;在使用高速钢刀具侧铣粗加工叶轮,最好使用平底刀具,它的加工效率是球头刀的1.6倍左右,尤其是粗加工大直径三元叶轮时,平底高速钢的刀具的效果更优于球头刀,刀具的成本低,但是高速钢刀具的耐磨性差,切削速度低,因此使用高速钢的刀具进行侧铣粗加工的原则是在老化的、主轴的转速和扭矩都大幅降低的五轴机床上使用。

  在加工中,刀轴角度是至关重要的,刀轴的角度主要是由叶片扭曲的形状和轮毂曲面两个因素决定的。所以说粗加工如果采用侧铣的方式,把导动面即轮毂曲面设为盖盘面的等距面,这样刀轴在每个点之间的运动,刀轴变化的最小,刀轴变化既连续光顺,旋转轴的运动也将很大程度的减少。
  在使用硬质合金刀具进行插铣粗加工时(见图4),使刀具的径向受力大大减少,刀具只受轴向力,而且每一次走刀从盖盘线位置一直插到轮盘线位置,加工时,刀具只两个直线轴方向移动,B轴转动只是辅助运动,在主轴转速高,具有良好的传动装置和伺服系统及主轴冷却系统、主轴刚度高的机床上进行插铣,进给量将大大提升,效率显著提高。

  需要注意的是,在插铣过程中,因为刀具中心没有切削刃,切削速度为零,因此刀具的切削宽度ae要小于刀片切削的规定值,如果大于刀片的规定值,由于轮毂曲率变化的原因,刀具中心不得不参与切削,将在下一个切削点造成刀具“顶刀”现象(见图5)。

  因此在曲率变化不大的区域,刀轴变化要一致,在不同曲率区域,刀轴角度要随时调整,使刀具中心不参与切削,同时采用从进口处和出口处两边分别向中心位置铣削的方法。
  使用插铣方法进行三元叶轮粗加工时可以去除95%的金属材料,剩下的5%使用普通方法去除,可用高速钢刀具加工,加工部位为叶片进口轮毂处的金属以及叶片根部圆角部位,这样的好处是叶片进口轮毂处宽度较窄,使用插铣方法时选择的刀具直径较小,且刀具的长度也会较长,刀具的刚性急剧下降,加工效率会大大降低,使用高速钢刀具用普通方法加工,可以确保加工尺寸的精度。
  以上扼要讲述了主要高效粗铣三元叶轮的主要策略,由于篇幅的限制,一些其他因素没有介绍,在实际铣制中要根据机床的性能,结合切削用量的合理参数、经济成本等因素,相互适应,以形成最佳的高效率的切削加工。
2 结论
  本文简要介绍了在生产实际加工中的一些经验,关于具体的高效数控加工细节方面,希望以后能与同行业人士进一步交流,例如叶轮精加工的效率问题、叶片精度的保证等。三元叶轮作为五轴加工的典型部件,它的加工效率越来越受到关注,目前国外风机企业正在加大技术投入,不断总结加工方法、切削用量的确定和刀具的选择问题,使三元叶轮的加工效率逐步提高,国内也在加强研究使三元叶轮加工效率迈上了一个新的台阶,不久的将来会达到世界同行的先进水平。

参 考 文 献

[1] Cutter-Path Generation for 5-Axis Milling of Turbomachinery components user’s guide MAX-5 Version 6.3. Concepts NREC,2002,8.