整体叶轮的数控加工工艺研究与实施
2020-4-2 来源：苏州工业职业技术学院 作者：高睿杰 高崇 顾涛
摘要：根据整体叶轮的零件图样，文中分析了叶轮结构，确定叶轮的加工内容和加工要求。设计了叶轮加工工艺路线，选用合适的毛坯、刀具和夹具，编制了叶轮的五轴铣削程序，完成了叶轮加工，阐述了叶轮类零件的一般加工过程。
关键词：叶轮；刀具；加工工艺
0 引 言
整体叶轮是离心式空气压缩机中的核心零件，其作用是将电动机的机械能转化为空气动能，提高输出空气的压力。整体叶轮结构复杂，加工难度大，尤其是加工叶片和流道时，容易产生干涉，流道宽度比较小，无法使用大直径刀具，加工效率低。
图1 叶轮零件图
1、图样分析
本文所研究整体叶轮零件图样如图1所示，该叶轮为半开放式整体叶轮，叶片数量为17，是某离心式空气压缩机的核心零件，叶轮三维结构如图2所示。该叶轮结构比较复杂，叶片扭曲程度比较高，主要有叶片、流道、圆角、孔等特征。叶轮的主要加工难点为叶片面、流道面和叶根圆角，此位置加工时容易产生干涉，并且只能采用小刀具加工，效率低，叶轮内孔尺寸要求以及内孔与叶轮外轮廓的同轴度要求都比较高，零件主要加工内容如表1所示。
2 、制定工艺路线
该叶轮分4次装夹，毛坯选用圆柱棒料，第1次装夹采用三爪夹盘夹持，完成叶轮打孔和粗车；第2次装夹采用
图2 叶轮三维模型
表1 加工内容
三爪夹盘夹持，完成叶轮底面台阶圆、台阶孔精车；第3次装夹采用三爪夹盘和软爪夹持，完成叶轮孔和轮毂的精车；第4次装夹采用专用夹具夹持，完成叶轮铣削加工。工艺路线制定如下：1）备料。0Cr17Ni4Cu4Nb棒料，尺寸为220 mm×95 mm。2）打孔。在数控车床上用三爪夹盘夹持，打孔直径为16 mm，深度贯通。3）粗车。粗车叶轮轮毂面，留2 mm精车余量。4）精车叶轮底面。在数控车床上零件掉头，用三爪夹盘夹持，精车叶轮底面台阶外圆和台阶孔。5）精车叶轮包履面。在数控车床上用三爪夹盘和软爪夹持。叶轮底面台阶外圆，精车内孔和轮毂面。6）叶轮粗铣。在五轴联动加工中心上用专用夹具夹持，粗铣叶轮，流道方向和叶片方向各留0.5 mm精铣余量。7）粗铣叶片前缘。粗铣叶片前缘，留0.5mm精铣余量。8）叶片半精加工。半精加工叶片，叶片方向留0.2 mm精铣余量，流道方向留0.5 mm精铣余量。9）流道半精加工。半精加工流道，流道方向留0.2 mm精铣余量，叶片方向留0.5 mm精铣余量。10）叶片精加工。精加工叶片至零件图样要求。11）流道精加工。精加工流道至零件图样要求。12）叶根圆角精加工。精加工叶根圆角至零件图样要求。
3 、毛坯选用
该叶轮材料为0Cr17Ni4Cu4Nb，此材料属于马氏体沉淀硬化不锈钢，具有高强度、高硬度和抗腐蚀等特性，广泛应用于制造轴类、汽轮机部件、航天涡轮机叶片等场合。0Cr17Ni4Cu4Nb由于硬度高，不容易断屑等特点，切削性比较差，尺寸精度不容易控制。根据零件尺寸和机床性能，并考虑零件装夹要求，选用直径为220 mm，高度为95 mm的棒料。
4 、夹具选用
该叶轮分4次装夹，打孔粗车时，以毛坯作为基准，选用三爪夹盘装夹，工件轴向伸出量为85 mm，装夹简图如图3所示。车削叶轮底面时，采用已经粗车完毕台阶外圆作为定位基准，三爪夹盘装夹，装夹示意图如图4所示。车削包履面时，以已加工完毕的叶轮底面台阶圆为基准，选用三爪夹盘和软爪装夹，装夹示意图如图5所示。叶轮铣削时，以叶轮底面和叶轮轴孔作为定位基准，使用专用夹具装夹，装夹示意图如图6所示。
5 、刀具和切削用量选用
叶轮铣削时，由于流道窄，只能使用直径较小的刀具，为了提高刀具刚性，尽量采用带有锥度的铣刀。选用山高刀具系统，查阅山高刀具手册，选用刀具和切削用量如表2所示。
表2 刀具列表
6 、叶轮编程与加工
本文所涉叶轮加工分车削和铣削两种加工方式，其中车削加工较为简单，此处不再赘述。叶轮铣削属于五轴联动铣削加工，程序复杂编程困难。NX软件自8.0版本后就提供了专门的叶轮加工模块，本文使用NX10.0软件的叶轮加工模块，编制叶轮加工轨迹，如图7所示，并通过后处理得到叶轮加工程序。
图7 叶轮加工刀具轨迹
选用德玛吉DMU65monoBLOCK五轴联动加工中心作为该叶轮加工设备。DMU65为AC轴摇篮结构，配备海德汉530系统，具有很好的工艺能力和加工精度。将车削好的叶轮毛坯安装在夹具上，并调整叶轮毛坯回转轴线与机床C轴回转轴线同轴，装调好所有刀具，使用经过后
处理得到的加工程序，完成该叶轮加工，总加工时间为7.2h，加工过程如图8所示。
图8 叶轮加工
7、 结 语
本文以某企业离心式空气压缩机叶轮为研究对象，通过对叶轮结构以及零件图样的分析，确定该叶轮的加工内容和加工要求。根据叶轮加工特点设计了叶轮的加工工艺路线，设计了叶轮加工的装夹方式，选用了叶轮加工刀具和切削参数。使用NX软件编制了叶轮的加工程序，完成了叶轮加工。本文完整地阐述了叶轮的加工过程，对叶轮制造具有普遍的借鉴意义。
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