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直线轴联动铣制三元叶轮方法研究

裴立群 魏国家 毕海波* / 沈阳鼓风机集团股份有限公司    

摘要:详细论述了一种新的三元叶轮加工方法,即在五轴数控加工中心采用固定旋转轴,加工过程中只有直线轴联动,采用高速铣粗、精加工三元叶轮。经过实践检验,采用这种直线轴联动高速铣的方法后,叶轮的加工效率大幅提高,刀具成本显著降低。
关键词:直线轴联动;三元叶轮;数控加工
中图分类号:TH452 文献标志码:A
Study of Linear Axes Milling Method in 3D Impeller
Abstract: This paper put forward a new machining method in 3D impeller, which named linear axes milling method. The two rotate axes of 5 axes machining center are fixed in a specific angle and only linear axes co-moved when the machine perform the milling process. High speed milling and fine finishing method is applied in roughing process to acquire high efficiency and reduce cutting tool expenses.
Key words: linear axes milling method; 3D impeller; NC machining
0 引言
  三元叶轮作为航空、机械、化工等行业的透平机械中的关键零件应用越来越广泛[1] ,尤其在国内外风机企业中,三元叶轮加工技术提升的脚步从未停止过,三元不锈钢材料的叶轮铣制技术更是引领五轴数控加工水平的不断提高。
  三元叶轮的加工难点主要表现在:三元叶轮的形状复杂,其叶片多为非可展扭曲直纹面,只能采用五坐标机床进行加工;由于三元叶轮叶片较薄,在加工过程中存在比较严重的弹塑性变形;工作在高温、高压、高转速条件下的三元叶轮,选用材料多为不锈钢、高温镍基合金和钛合金等难加工材料,使得三元叶轮的加工更加困难。三元叶轮加工在五轴数控领域中仍属于高端技术。
  随着离心压缩机不断向大型化发展,其转子叶轮的尺寸也随之增大,三元叶轮直径也越来越大,最大叶轮直径达1 420mm。显然,随着叶轮直径及叶片进口高度的增加,铣削时所用刀具的长径比加大,刀具刚性急剧下降,加工效率明显降低,而且叶轮的金属去除量非常大,由此带来加工时间的增加;其次,这些三元叶轮中大部分是自由曲面叶片形式的三元叶轮,如何准确铣制出自由曲面叶片,也是有待解决的问题。点元素叶轮要比同规格的直纹面三元叶轮加工时间长。
  综合上述情况,针对三元叶轮大尺寸、复杂性、难加工的特点,选择了与之适应的新型高效刀具和合适的铣削参数,并做了大量试验,采用固定机床旋转轴,仅线性轴联动进行叶轮粗铣的工艺方法,极大地提高了三元叶轮的加工效率。
1 三元叶轮直线轴联动高速铣粗加工
  以往铣制三元叶轮的方法是使用高速钢刀具侧铣法粗加工(见图1),去除大部分余量,切削参数为小进给、大切深。应用叶轮加工专用软件,编程十分简便。长期以来这种方法应用于小型三元叶轮铣制加工,是比较有效的叶轮加工方法。这种加工方法的缺点是加工效率低,且机床的主轴由于受力和冲击大,容易产生微动磨损[2] ,当叶轮尺寸较大时,粗加工需要去除大量的材料,用这种高速钢侧铣法加工的弱势就更加明显的表现出来,所以针对直径较大的三元叶轮需要寻求一种高效的解决方案。经过长时间的摸索和试验,最终创造性地采用直线轴联动高速铣法完成三元叶轮的加工。
  通常三元叶轮加工都是在五轴联动的数控机床上进行的,加工过程中3个线性轴和2个旋转轴联动,使刀具适应三元叶轮叶片的扭曲状态,进行移动和摆动,达到去除多余材料并避免刀杆或刀柄与零件发生干涉的目的。然而五轴联动虽然能够有效的实现三元叶轮的铣制过程,但是从加工效率角度看,却存在一定的弊端。首先五轴联动增加了机床的运动,势必造成效率的损失;其次,这种机床运动形式对使用的刀具造成了一定的限制,五轴联动加工多采用球头铣刀,而球头刀加工效率低,且切削力和扭矩大,不符合高效加工的要求。
  本文提出的直线轴联动高速铣法具体来说就是根据叶轮流道结构特征,将五轴机床的两个旋转轴固定,使刀具处于合适的角度,完成一部分流道的加工,之后再变换刀具角度,使旋转轴固定在另外一个合适的位置,完成另一部分流道的加工,以此类推,直到整个流道都加工完毕。这样做的好处是加工过程中只有3个直线轴进行联动,减少了机床运动,刀具轨迹集中,空行程减少,而且可以使用高速铣刀进行加工,提高金属去除率并减少机床振动和磨损,降低刀具成本,是一种非常有效的叶轮加工方法。

  以目前加工过的最大直径三元叶轮为例,对这种加工方法加以详细说明。该叶轮材料为马氏体沉淀硬化不锈钢,材料硬度达300HB左右,直径Φ1 420mm,11组长短叶片,叶轮进口最大深度315mm,出口深度120mm,这是目前铣制过的最大叶轮。
  粗加工铣制采用硬质合金刀头和减振刀杆(见图2),刀片线速度最大达到Vc=120m/min。加工时将五轴机床的旋转轴A轴和B轴锁紧,利用两个或三个XYZ直线轴联动编制数控程序进行粗加工,见图3,该方法为大进给、小切深的高速型腔铣。这种方法加工时刀具的刚性最大,机床的扭矩最小,减少了加工时机床产生的振动。在刀杆使用上,也做到因地制宜,加工叶片顶部时,采用短刀杆, 提高切削效率;加工叶片根部时,采用长刀杆为重金属防振刀杆,以解决因刀具长径比大而引起的刀具刚性不足的问题。

  采用这种方法,在铣制叶轮流道的不同部位时,主轴A的仰角和B轴的旋转角度是不同的。为A轴和B轴设置合适的角度,成为程序编制的重要环节,也是程序编制的难点之一,决定了加工切削性能的好坏。虽然此种方法编制粗加工数控程序的难度大,对工艺编程员的水平要求较高,但是加工效率可提升2~3倍以上。

2 三元叶轮直线轴联动半精加工及精加工
  叶轮的半精和精加工同样采用固定刀轴的线性轴联动高速铣的方法,加工叶轮的不同部位时,采用的工艺方法也不同,以保证加工的型线准确无误。
  叶片精加工时,使用半锥角为3°的球头刀,将刀轴设定在合适的方向,既不干涉被加工的叶片,又不与相邻的叶片发生干涉。加工时刀具由叶片顶部向根部分层切削,同时刀具在叶片进口与出口之间往复运动,最终准确包络出三维叶片廓型,为下一步的精加工留下非常均匀的余量。不论直纹面或自由曲面形式的三元叶片都可以采用这种方法铣削加工,这不仅充分发挥了高速铣的优点,还避免了传统的侧铣法加工叶片造成的表面应力和廓型误差,使加工完的叶片具有良好的质量和精度,刀路轨迹见图4。

  进口圆头精加工时,使刀具沿曲面的U参数或V参数方向运动,非常适合加工圆头处的上窄下宽的曲面廓型。加工时刀轴固定不动,即机床旋转轴锁定,线性轴插补运动,带动刀具沿曲面的U参数方向切削运动,沿V参数方向进给,或者相反,最后包络出完整的圆头曲面[3]
  轮毂精加工是将定义的加工范围曲线,沿刀轴方向向被加工曲面进行投影得到的边界,即为实际加工范围。将这一特点应用到叶轮轮毂的加工中,只需将实际轮毂曲面和叶片曲面分别偏移所用球头刀的刀具半径尺寸,再求出偏移后曲面的交线,把这个交线作为定义加工范围的边界,有这个边界作为限制,不论刀具按怎样的刀轴方向加工,都不会对轮毂和叶片产生过切。

3 结论
  本文详细论述了直线轴联动法加工三元叶轮的原理及工艺方法,实践证明采用这种方法加工,减少了机床运动,使得加工更加稳定可靠。此外,粗、精加工采用硬质合金刀具高速铣法,不仅大大提高了金属去除率,加工效率提高了2倍以上,而且大幅度地降低了刀具成本,从根本上解决了用高速钢刀具铣制三元叶轮时出现的种种问题。因此,直线轴联动法是三元叶轮五轴数控加工的高效铣削策略和关键技术之一,它的提出和广泛应用具有深刻的现实意义,可以带来可观的经济效益。

               参 考 文 献

[1] 郝春娜. 压缩机T型叶轮点元素三元叶片基本展开型谱创建[J].风机技术,2012(3):48-49,52.
[2] 董雷,魏国家,惠洪杰. 基于小波包分析的铣刀状态监测方法研究[J].风机技术,2011(5):37-41.
[3] 魏国家,裴立群,雍建华,等. 开式三元叶轮高效率数控粗加工策略[J].风机技术,2012(1):48-50.