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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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