整體葉輪的數控加工工藝研究與實施
2020-4-2 來源： 蘇州工業職業技術學院 作者：高睿杰 高崇 顧濤
摘要：根據整體葉輪的零件圖樣，文中分析了葉輪結構，確定葉輪的加工內容和加工要求。設計了葉輪加工工藝路線，選用合適的毛坯、刀具和夾具，編制了葉輪的五軸銑削程序，完成了葉輪加工，闡述了葉輪類零件的一般加工過程。
關鍵詞：葉輪；刀具；加工工藝
0 引 言
整體葉輪是離心式空氣壓縮機中的核心零件，其作用是將電動機的機械能轉化為空氣動能，提高輸出空氣的壓力。整體葉輪結構復雜，加工難度大，尤其是加工葉片和流道時，容易產生干涉，流道寬度比較小，無法使用大直徑刀具，加工效率低。
圖1 葉輪零件圖
1、圖樣分析
本文所研究整體葉輪零件圖樣如圖1所示，該葉輪為半開放式整體葉輪，葉片數量為17，是某離心式空氣壓縮機的核心零件，葉輪三維結構如圖2所示。該葉輪結構比較復雜，葉片扭曲程度比較高，主要有葉片、流道、圓角、孔等特征。葉輪的主要加工難點為葉片面、流道面和葉根圓角，此位置加工時容易產生干涉，并且只能采用小刀具加工，效率低，葉輪內孔尺寸要求以及內孔與葉輪外輪廓的同軸度要求都比較高，零件主要加工內容如表1所示。
2 、制定工藝路線
該葉輪分4次裝夾，毛坯選用圓柱棒料，第1次裝夾采用三爪夾盤夾持，完成葉輪打孔和粗車；第2次裝夾采用
圖2 葉輪三維模型
表1 加工內容
三爪夾盤夾持，完成葉輪底面臺階圓、臺階孔精車；第3次裝夾采用三爪夾盤和軟爪夾持，完成葉輪孔和輪轂的精車；第4次裝夾采用專用夾具夾持，完成葉輪銑削加工。工藝路線制定如下：1）備料。0Cr17Ni4Cu4Nb棒料，尺寸為220 mm×95 mm。2）打孔。在數控車床上用三爪夾盤夾持，打孔直徑為16 mm，深度貫通。3）粗車。粗車葉輪輪轂面，留2 mm精車余量。4）精車葉輪底面。在數控車床上零件掉頭，用三爪夾盤夾持，精車葉輪底面臺階外圓和臺階孔。5）精車葉輪包履面。在數控車床上用三爪夾盤和軟爪夾持。葉輪底面臺階外圓，精車內孔和輪轂面。6）葉輪粗銑。在五軸聯動加工中心上用專用夾具夾持，粗銑葉輪，流道方向和葉片方向各留0.5 mm精銑余量。7）粗銑葉片前緣。粗銑葉片前緣，留0.5mm精銑余量。8）葉片半精加工。半精加工葉片，葉片方向留0.2 mm精銑余量，流道方向留0.5 mm精銑余量。9）流道半精加工。半精加工流道，流道方向留0.2 mm精銑余量，葉片方向留0.5 mm精銑余量。10）葉片精加工。精加工葉片至零件圖樣要求。11）流道精加工。精加工流道至零件圖樣要求。12）葉根圓角精加工。精加工葉根圓角至零件圖樣要求。
3 、毛坯選用
該葉輪材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，此材料屬于馬氏體沉淀硬化不銹鋼，具有高強度、高硬度和抗腐蝕等特性，廣泛應用于制造軸類、汽輪機部件、航天渦輪機葉片等場合。0Cr17Ni4Cu4Nb由于硬度高，不容易斷屑等特點，切削性比較差，尺寸精度不容易控制。根據零件尺寸和機床性能，并考慮零件裝夾要求，選用直徑為220 mm，高度為95 mm的棒料。
4 、夾具選用
該葉輪分4次裝夾，打孔粗車時，以毛坯作為基準，選用三爪夾盤裝夾，工件軸向伸出量為85 mm，裝夾簡圖如圖3所示。車削葉輪底面時，采用已經粗車完畢臺階外圓作為定位基準，三爪夾盤裝夾，裝夾示意圖如圖4所示。車削包履面時，以已加工完畢的葉輪底面臺階圓為基準，選用三爪夾盤和軟爪裝夾，裝夾示意圖如圖5所示。葉輪銑削時，以葉輪底面和葉輪軸孔作為定位基準，使用專用夾具裝夾，裝夾示意圖如圖6所示。
5 、刀具和切削用量選用
葉輪銑削時，由于流道窄，只能使用直徑較小的刀具，為了提高刀具剛性，盡量采用帶有錐度的銑刀。選用山高刀具系統，查閱山高刀具手冊，選用刀具和切削用量如表2所示。
表2 刀具列表
6 、葉輪編程與加工
本文所涉葉輪加工分車削和銑削兩種加工方式，其中車削加工較為簡單，此處不再贅述。葉輪銑削屬于五軸聯動銑削加工，程序復雜編程困難。NX軟件自8.0版本后就提供了專門的葉輪加工模塊，本文使用NX10.0軟件的葉輪加工模塊，編制葉輪加工軌跡，如圖7所示，并通過后處理得到葉輪加工程序。
圖7 葉輪加工刀具軌跡
選用德瑪吉DMU65monoBLOCK五軸聯動加工中心作為該葉輪加工設備。DMU65為AC軸搖籃結構，配備海德漢530系統，具有很好的工藝能力和加工精度。將車削好的葉輪毛坯安裝在夾具上，并調整葉輪毛坯回轉軸線與機床C軸回轉軸線同軸，裝調好所有刀具，使用經過后
處理得到的加工程序，完成該葉輪加工，總加工時間為7.2h，加工過程如圖8所示。
圖8 葉輪加工
7、 結 語
本文以某企業離心式空氣壓縮機葉輪為研究對象，通過對葉輪結構以及零件圖樣的分析，確定該葉輪的加工內容和加工要求。根據葉輪加工特點設計了葉輪的加工工藝路線，設計了葉輪加工的裝夾方式，選用了葉輪加工刀具和切削參數。使用NX軟件編制了葉輪的加工程序，完成了葉輪加工。本文完整地闡述了葉輪的加工過程，對葉輪制造具有普遍的借鑒意義。
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