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三元流叶轮铣制方法及常见问题解析

朱 华 周小康 / 江苏金通灵流体机械科技股份有限公司    
摘要:介绍了整体三元流叶轮的一般加工工艺,并结合实践对其中常见的问题和难点提出了切实可行的解决方法。
关键词:三元流叶轮;CAD/CAM;
中图分类号:TG54 文献标志码:B
Technical Method of Milling 3D Impeller and Resolution for Common Issues
Abstract: This paper has introduced the general processing of overall three- dimensional flow impeller.According to the common problems and difficulties,the feasible solutions are pointed out combined with practice.
Key words: 3D flow impeller; CAD/CAM
0 引言
  在风机产品中,由于整体式三元流叶轮既可以满足高强度要求,提高叶轮的可靠性和使用寿命,又能较好地体现空气动力学性能,其应用也越来越广泛。叶轮的质量被视为整台风机质量的关键,但由于其结构复杂,加工要求高,必须采用五轴联动的数控机床,以保证尺寸和形位公差要求。结合叶轮加工过程的实践经验,简要介绍其铣制过程中的加工工艺,并对其常见的问题提出了一系列的解决方法。
1 加工工艺
  三元流叶轮经过粗车毛坯,在五轴联动数控机床上一次完成叶片和轮毂加工,然后经过精车成型,其叶片对称度要求较高,动平衡去重量要小,平衡精度能满足超转速试验要求。其中关键的叶轮整体铣制加工工艺应从以下几方面考虑。
1.1 刀具的选择
  铝合金叶轮粗加工一般选择整体锥度球头刀具,半锥角一般选择3°~5°,优先选择3~4刃,材质为硬质合金。采用锥度刀具,增强了刀具的刚性,有助于减少刀具变形。对于叶片较高的叶轮(例如叶高最大值>100mm),其精加工时,则使用带涂层的硬质合金刀具,这种刀硬度高,耐磨性好,叶片表面可得到较好的表面粗糙度。
       不锈钢叶轮粗加工选择球头刀片式刀具比较经济实用,因为在三元流叶轮加工过程中,刀具的向量是一个在空间不断扭摆的过程,刀头球面接触的工况比平底刀或者平底带R铣刀好。而精加工,则采用整体高速钢刀具,这种刀韧性好,吸振性较强,表面粗糙度较佳。
1.2 刀柄的选择
  刀柄一般分为热缩刀柄和机夹刀柄,采用机夹刀柄装卸比较方便,而热缩刀柄采用h6的公差,使得刀具与刀柄以及机床主轴的同轴度较好,因而定位精度也较好。
1.3 加工余量的选择
  粗加工大量去除叶片间的材料,材料去除率达到60%以上,这不可避免地造成叶片的变形。特别是对于叶片较高,叶片厚度较薄的铝合金叶轮,在叶片进口端变形较大,粗加工余量应在2~3mm。而对于不锈钢叶轮的加工,其叶片变形较小,余量也应小些,根据叶轮外径的大小,余量在0.3~1mm,否则过多的加工余量会造成半精加工次数较多,降低生产效率。
1.4 加工方式的选择
  对于长短叶片相间的叶轮,虽然在粗加工时,在长度方向上分段加工可提高工作效率,但刀具在铣削过程中易与台阶产生冲击,特别是在铣制不锈钢叶轮时,刀具崩刃频繁,见图1。故选择沿流线纵向切削,从出口端一直切穿至进口端,这样刀具切削比较平稳。其次,在深度方向,分若干层来铣削,每层深20~30mm,先采用直径较大的刀具,随着深度加深,宽度变窄,再采用小直径刀具。在铣制整体式叶轮时,要尽量保持刀具使用前缘切削,即采用拖刀的方式进行铣削,这样可提高刀具的使用寿命。

1.5 工装夹具的选择
  在整体叶轮铣制过程中,设计一套专用夹具是非常必要的。虽然在铣制过程中要尽可能避免二次装夹造成定位误差,但由于生产安排或者工艺要求,需要中途从工作台上卸下叶轮,故必须设计一套专用夹具,以保证定位精度。同时,夹具的设计要适应较多系列的叶轮,达到专用中又有通用性。此外该夹具要有一定的厚度,特别在大工作台铣制小叶轮时,增厚夹具,可防止工作台与主轴干涉。
2 三元流叶轮整体铣削加工中常见问题解析
2.1 CAD模型的影响

  叶轮CAD造型的好坏直接影响到后续CAM的效果,是三元流叶轮能否整体铣制完成的基础。特别是在小叶轮的加工过程中,这种影响更为明显。例如我公司某不锈钢叶轮,其叶片间最小间距为4.1mm,叶片出口高度为13.6mm,由于短叶片的CAD造型由长叶片截取所得,若进口端元素,即坐标点选取不恰当,造成直纹曲面上进口端处的线元素与其余线元素不连续,造型上虽然无问题,但在加工过程中,刀具路径会产生问题,在进口端外轮毂侧产生一个圆锥形的浅凹坑,见图2和图3。重新选择坐标点,使之与其余线元素连续,重新造型后可避免该问题,见图4。

2.2 刀具跳转的安全性
  在加工过程中,由于种种原因,可能需要中途暂停加工,这时暂停加工位置的选择就显得尤为重要,因为从程序起始加工位置直接跳转到暂停位置时,刀具的路径是一个五轴联动的空间直线,若暂停位置选择在毛坯内侧,则有可能将已加工的叶片横切,故跳转时,两点位置都应选择在毛坯外侧,以保障刀具跳转时的安全。
2.3 加工中不同刀具半径的影响
  在不锈钢叶轮粗加工时,当由大直径刀具切换到使用小直径刀具时,由于刀具半径R的不同,在叶片与起始切削层的连接处,造成小直径刀具切削深度异常加深,往往小直径刀具刚一下刀,就会造成刀片的崩刃损坏,见图5和图6。解决的方法是用小直径刀具,在以大直径刀具半径R为边长的方形区域和叶片长度方向上进行粗加工。

2.4 进口圆角的加工

  刀具在精加工叶片时,由于在进口端处圆弧半径较小,曲率较大,对于较高的铝合金叶片,在该处易造成崩角,故在该处铣削速率应均匀减小,再均匀增大,一般速率减小为正常加工速率的20%~30%;或者先分层将叶片圆角铣削到位,然后在精加工叶片时将圆角避开,可取得明显效果。
3 结论
  三元流整体叶轮的加工是风机制造技术中的关键之一,经过实践证明,上述加工工艺方法是行之有效的,既能满足尺寸和形位公差要求,又具有良好的空气动力学性能。
  由于叶轮的特殊性,应在保证加工质量和安全的前提下,提高加工效率,针对三元流叶轮加工中常见的问题和难点,上述解决方案保证了加工的可靠性,提高了生产效益,其中1.3节中的解决方案可使叶轮整体加工时间缩短10%~15%。

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  评论人:金刚网   打分:0 分  发表时间:2015-6-13 15:29:20
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  评论人:肉牛   打分:0 分  发表时间:2015-4-25 14:11:32
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