大型整体叶轮高效粗开槽加工技术

大型整体叶轮高效粗开槽加工技术

陈亚莉岳召启

1、陈亚莉，女，1974年月生，1996年毕业于北京装甲兵工程学院

2、岳召启，男，1970年月生，1993年毕业于南昌航空工业学院

摘要：本文以某大型叶轮为典型零件，根据该整体叶轮的工艺和材料特点，详细阐述了大型整体叶轮粗开槽加工时所采用的加工优化方案，以及该叶轮在铣加工方案优化过程中的关键技术，为大型整体叶轮粗开槽加工提供了参考。

关键词：整体叶轮、小切深大进给面铣加工

引言：

某大型整体叶轮的叶片多为宽弦大扭角的大型叶片，加上叶片曲率变化大，毛坯为整体锻件，因此铣加工材料去除率大，易产生加工应力变形和震动，使得该类零件的加工不仅效率低、质量稳定性差且加工难度极大。

本文主要介绍了某大型整体叶轮粗开槽铣加工时所采用的高效、低成本粗开槽技术方案。

1、铣加工技术方案制定

某大型整体叶轮虽然是开式结构，但由于叶片尺寸较大，如按常规采用开式叶轮的单侧铣加工工艺，则铣削刀具可长达350mm左右。同时由于叶片扭角大，刀具可达性差，在接近叶根1/4处部位刀具严重干涉，叶片根部刀具严重干涉，且刀具长径比超过5，加工振动明显增大，因此仍需采用开式叶轮+闭式叶轮组合铣加工方案，具体方案是：开式部分铣加工直接采用高进给面铣加工，闭式部分已接近叶片根部，由于叶片扭曲较大，为避免铣加工过程中出现刀杆的干涉问题，先采用U钻钻铣开槽，再采用高进给面铣加工去除剩余部分。

2、刀具切削过程及受力分析

大进给面铣刀的刀片形状多为圆弧面的近似等边三角形。在切削过程中，参与切削的部位主要是刀片前部的大圆弧，为了保证刀片的耐用度，切削的深度要小于大圆弧的高度，最大不能高于外圆小圆弧的中心高。由于该类铣刀每齿进给量都较大，在下一个刀片旋转至前进方向位置之前，刀具已经移动了一定的距离，在刀片到位后，残余的未去除材料已经到达了刀具顶部小R的后方，因此在切削过程中刀片前部大圆弧并不能将待切削部位材料完全去除，位于刀片后部的较短大圆弧也参与了切削，当然，其切削量远小于前部大圆弧。

在加工过程中，刀具所承受的切削力指向圆弧中心。由于刀片切削部位圆弧半径较大，圆弧中心坐标在刀具主轴方向的值也较大，因此，在切削过程中，刀片承受的切削力在轴向的分力达到95％以上。

3、规划刀具轨迹

该大型整体叶轮为轴流式整体叶轮，待加工部位为接近圆锥形。根据面铣刀具加工特点及刀片受力状况的分析，该类面铣刀具可以应用于整体叶轮的加工。但是，由于整体叶轮专用CAM软件在刀具定义菜单中，对于该类刀具，仅能定义成R端铣刀，而整体叶轮加工至少为四轴联动铣，在四轴或五轴联动加工过程中，刀具实际对刀点与理论切削用对刀点有一定的误差，因此，刀具实际切削部位与编程用R不一致，造成该类刀具切削加工与实际加工有一定的误差，所以该类刀具只能用于对加工精度要求不高的粗开槽加工。

根据叶轮的加工特点，加工方法可以采用圆柱面或圆锥面单向顺、逆铣，往复顺、逆铣，顺逆组合铣等十大类，各大类又需细分成从前缘到后缘或从后缘到前缘、先叶盆后叶背或先叶背后叶盆等四种加工方法。应用整体叶轮专用CAM软件，将所有的40种加工方法进行编程及源代码程序简单仿真，结合刀具在各种刀具轨迹中的受力状态分析，共选择了八种加工方式，分别为：

㈠、圆锥面往复铣：①从前缘到后缘、先叶盆后叶背、顺铣；②从前缘到后缘、先叶背后叶盆、逆铣；③从后缘到前缘、先叶盆后叶背、逆铣；④从后缘到前缘、先叶背后叶盆、顺铣；

㈡、圆锥面单向铣：⑤从后缘到前缘、先叶盆后叶背顺逆组合铣；⑥从后缘到前缘、先叶背后叶盆、顺逆组合铣；

㈢、圆柱面单向铣：⑦从后缘到前缘、先叶盆后叶背顺逆组合铣；⑧从后缘到前缘、先叶背后叶盆、顺逆组合铣；

各种刀具轨迹优缺点对比：

三大类刀具轨迹优缺点比较：圆锥面往复铣优点是加工过程中，非切削刀具轨迹最少，UG计算的加工时间短，缺点是可能刀具受力状态稍差；圆锥面单向铣的优点是经过大概的分析，刀具受力状态可能较好，但每条刀具轨迹之后都需要将刀具退出到零件之外，非切削刀具轨迹很多，虽然退刀速度接近G00，但由于数量较多，径UG计算后，加工时间延长五分之一(约5分钟)；圆柱面单向铣优点是加工过程中，在从前缘向后缘加工过程中，刀具受力状态好于圆锥面往复铣，缺点与圆锥面单向铣缺点相当。

4、加工试验验证

后置处理完成的G代码文件在五坐标加工中心上进行试验，十种加工方式都进行了先期加工试验验证，第一层刀具长径比小于2。

由于①②③④试验完成后，采用中间换刃的方法继续加工，⑤⑥试验完成后，第二层已加工完成，⑦⑧进行切削试验时，由于刀柄及刀具尺寸的限制，刀具只能装夹至5倍长径比，已经属于深孔加工方式，需认真分析刀具失效原因。

5、刀片失效分析

①②加工方式加工后，观察刀具磨损情况，发现刀具崩刃比较严重。通过在加工中途停止后观察切削痕迹，发现刀具崩刃大部分都是在从前缘向后缘铣加工叶盆或叶背时，切削深度逐渐增大，加工过程中刀具受力较大，造成加工中出现振动，从而造成刀具严重崩刃。③④加工方式加工后观察刀具磨损情况，刀具崩刃情况有所改观，崩刃位置与①②加工方式基本相同，程度较小。

⑤⑥加工方式加工后，刀片仅有正常磨损，中途停止后观察切削痕迹，加工过程中加工深度逐渐变浅，刀具受力较小，振动减小，刀具寿命提高一倍以上，且加工安全性较高。

⑦⑧加工方式中，在进给量为500mm/min时，加工两层就出现严重崩刃，进给降至300mm/min时，崩刃情况没有明显的改善。通过观察刀具崩刃发生的部位，主要集中在后缘部位，当刀具从叶盆后缘向叶背方向移动时，产生了严重的崩刃。经过详细研究分析，最有可能的原因是：后缘R加工时虽然加工进给量并不大，但在加工前进方向上切深逐渐加大，即由浅入深加工，造成刀具各向切削力逐渐加大，同时，加工时刀具长径比已达到5，由于刀具悬伸过大，加之设备主轴动态跳动较大，使得加工中刀具振动很大，造成极为严重的崩刃。这说明在刀具长径比大于4时，由浅入深的加工方式对刀具的寿命影响极大，切削状况非常恶劣，前后缘转接R部位不适合采用大进给面铣加工。

6、改进及验证

根据上述刀片失效部位及原因的分析结果，对面铣刀具轨迹进行了优化改进，在分层面铣加工过程中，刀具运动轨迹取消了前后缘R的加工，前后缘转接R选用耐用度较高的两刃可换式机夹刀片加工，以降低研制费用，同时减少换刀次数过多造成的不必要的时间浪费。

经过再次试验验证，本次刀具轨迹优化改进效果非常明显，面铣取消前后缘转接R的方法切实可行，在5倍长径比时，面铣加工效率依然没有降低，刀片寿命保持在60min左右。本次试验验证了上述刀片失效部位及原因分析的正确性。

7、结束语

在整体叶轮粗开槽加工过程中，新型结构刀具及新加工工艺方法的应用，突破了现有的加工思路，为今后的机械加工提供了一个全新的加工方法，开拓了整体叶轮铣加工刀具结构的思路，希望上面的介绍能够给大家在学习和工作中带来帮助并有所启发。

参考文献：

1.刘文波等编.《机床数控技术》东北大学出版社

2.黄俊明等编.《UnigraphicsII模型设计》中国铁道出版社

3.谢国明等编.《UGCAM实用教程》清华大学出版社

4.《国外高性能航空发动机制造技术发展趋势》……刘湘刘家富吴希孟