基于精雕系统的七级叶轮加工技术实践
2024-3-7 来源：北京精雕科技集团有限公司 作者：张欢龙
1. 序言
叶轮是涡轮增压器最关键的零件之一，广泛应用于航空、船舶、汽车和真空泵等行业的发动机中，其中七级叶片的复杂叶轮是涡轮分子泵内部的核心部件，而涡轮分子泵则广泛应用于真空镀膜（PVD）、半导体制造等行业中，这些行业需要在超高真空环境（10-7Pa 以下）中才能工作。
考虑到叶片结构复杂、曲面变化大以及精度高等特点，目前一般采用 Mastercam、PowerMill、UG及CATIA等国外软件结合五轴联动机床加工，这些五轴联动机床一般采用海德汉、西门子等国外高档数控系统。为打破国外软件和数控系统在叶轮制造方面的垄断地位，北京精雕科技集团有限公司（以下简称北京精雕）开发了拥有自主产权的 SurfMill 软件以及北京精雕五轴联动系统，并采用在线检测、在线补偿功能加工叶轮。
本文采用北京精雕的 SurfMill 软件造型并采用 JDGR400 五轴联动精雕机，对七级叶轮的五轴编程、工艺规划和实际加工进行探讨与实践。
2.七级叶轮结构及加工难点分析
七级叶轮（见图 1）的基本特点 : 叶片分为7 级，共 249 个叶片，材料为 7075 铝合金，尺寸f360mm×286mm。该零件上的叶片是由铝合金整体加工而成，叶片加工完成后整体质量 14kg。
图 1 七级叶轮
经分析，七级叶轮五轴联动加工的难点如下。
1）该叶片属于典型的薄壁件，叶片高度与厚度比＞ 30:1，叶片刚性差，加工时受力易变形，极易产生振动，弹刀过切风险很大。
2）相邻叶片间距小，导致加工所需刀具最大长径比为 14:1（见图 2），加工时刀具的切削刚性差。
图 2 刀具长径比示意
3）叶片数量多达 249 个，叶片间距小，每一级之间距离小，刀具和叶片之间的安全距离最小只有 2mm，加工时极易产生干涉，如图 3 所示。
图 3 刀具与叶片干涉示意
3.七级叶轮五轴加工工艺规划
3.1 设备及软件的选用
叶轮加工设备需要有强大的运算能力，且加工时主轴转速高、摆动角度范围大、联动精度高，本次选用北京精雕的 JDGR400_A15SH 机床，配置在机测量系统、激光对刀仪等设备，并采用北京精雕自有的软件 SurfMill 进行建模和编程。
3.2 刀具的选用
针对薄壁件，刀具的选择需要从减小切削力的角度出发，因此选择角度较大的前角和后角、较大的螺旋角（见图 4）来减小切削力 ; 刀具结构采用短刃刀具（见图 5），锥度避空，提升刀具刚性 ; 涂层选用 DLC 涂层，涂层厚 1μm，提高刀具锋利度，减小切削力，提高刀具寿命及长时间加工时的稳定性。
图 4 大螺旋角
图 5 锥度平底短刃刀具
3.3 加工工艺方案
针对长径比大的难题，为了增加刀具的刚性，在深度上采用多把刀具分段加工的方式，以保证切削刚性，提高加工效率。刀具型号及加工参数见表 1。
表 1 刀具型号及加工参数
3.4 编程加工方案
七级叶轮叶片数量多、间距小，刀具极易产生干涉和过切。为避免在实际加工中出现问题，采用北京精雕的 DT 编程技术，在软件中实现过切检查、干涉检查和机床模拟，在计算机端确保加工程序的安全，从而避免机床实际加工中的过切、干涉和碰撞等问题，如图 6 所示。
a）刀具与工件干涉示意
b）DT 仿真加工
图 6 叶轮加工模拟
DT 编程技术最大的特点就是改变原有的调试模式，将原来需要在机床上进行的操作（包括试切加工、人为观察过切和碰撞，以及机床行程检测等），全部加载到计算机中进行，减少人员机床上的操作，减轻调试人员的心理压力，降低调试出错的成本，缩短产品调试周期。
4. 加工试验及方案改进
按照规划的方案进行加工试验，试制结果见表 2。通过表 2 数据可看出，试制结果不满足工艺要求，需要优化改进。
表 2 试制结果
4.1 方案优化改进
经分析，需要从 4 个方面进行优化改进 : ①优化加工效率。②改善表面质量。③改进夹持治具。④管控毛坯精度。
1）利用 CAM 软件优化叶片间连刀高度。第一阶段为保证绝对的安全，将叶片之间路径安全位置设置在 Z 轴原点位置 ; 优化阶段依靠 DT 编程技术，将刀具连刀高度抬至叶片最高高度之上30mm，加工时间缩短了 6.5h。
2）优化 T9、T10 刀具有效长度，增加刀具刚性。试制用的 T9、T10 刀具有效长度过长，刀具刚性差，切削参数无法提升，严重影响加工效率。依靠 D T 编程技术，精确计算 T9、T10 刀具所需的最短有效长度，从而提升刀具刚性，增加刀具切削用量，将叶轮加工时间缩短了 55min。
3）优化表面质量，缩短人工处理时间。叶轮加工完成后，其叶片锐角边留下了大量的毛刺，需要手工清理，工作量较大，并且毛刺会影响工件整体动平衡性能，因此在加工时加入去毛刺程序，节省去毛刺的时间。另外，在机测量刀具锥度，减轻不同刀具间的接刀痕，使用激光对刀仪准确测量刀具锥度和直径，将刀具偏差补偿在加工路径中，确保各刀具间的接刀痕＜ 0.008mm。
4.2 解决动平衡问题
对于产品的批量生产，动平衡振幅能否控制在 5μm 以内是生产的关键。目前机床精度、温度管控都是合格的，针对动平衡偏大问题，经过分析判断，是治具锥面和毛坯锥面配合误差较大，使得毛坯安装后毛坯轴线倾斜引起的。毛坯轴向圆跳动＞ 0.04mm，直接影响叶轮加工后的动平衡。治具夹持如图 7 所示。
图 7 治具夹持示意
重新精磨治具，其锥度达到 5° 43′ 9″，毛坯安装后跳动得到大幅改善，结果见表 3。
表 3 精磨治具后跳动改善结果
4.3 曲面加工方案
叶片曲面根据曲率可分为自由曲面和直纹曲面，自由曲面采用五轴点铣方式加工，直纹曲面采用五轴侧铣方式加工，如图 8 所示。
图 8 曲面加工方式示意
在 SurfMill 中建模和编程。分层粗加工如图9 所示，流道精加工如图 10 所示。
图 9 分层粗加工
图 10 流道精加工
4.4 改进后的实际加工验证
利用 DT 技术和软件编程，优化了刀路和加工程序，避免了干涉，消除了动平衡，提高了加工效率，同时零件的加工质量得到提升。加工后的零件如图 11 所示，经检测，达到了叶轮尺寸精度和表面粗糙度的要求。
图 11 加工后的七级叶轮
5. 结束语
本文在分析七级叶轮结构特点和加工难点的基础上，对机床选用、刀具选择、工艺修正以及治具改进等做了深入分析。为提高效率，避免干涉，采用北京精雕特有的 DT 技术进行模拟校正，并通过试件的研制，优化一系列工艺参数，最后在北京精雕五轴联动机床上完成七级叶轮的加工，加工精度、表面粗糙度以及动平衡等都符合要求，给类似的叶轮及复杂零件的加工提供了参考。
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