基于航空精密小叶轮数控技术加工

　　2.3 设备及工艺方案的论证

　　按最初制定的工艺方案， 叶型部分在四坐标加工中心上用T型铣刀和端铣刀加工， 由于设备功能所限， 无法实现四轴联动， 需要先粗铣去余量，再半精铣铣出基本叶型， 然后小切削余量精铣叶片， 此时对切削力、切削余量、切削速度都要进行严格控制， 防止叶片变形。同时， 由于叶片根部圆角较小且需光滑转接，加工时又要避免应力集中产生裂纹，因此加工难度很大， 加工后还需要钳工修磨，还要铣削叶尖部分的两面倒角。一个叶轮零件的叶型部分加工下来至少需要10小时以上，而且合格率较低。

　　经过分析研究，选定了UCP600五坐标加工中心，采用软三爪快速装夹。根据选定的设备，调整了叶轮加工工艺路线：铣叶片及叶尖倒角一钳工修整一弯曲前检验一弯曲叶片。

　　2.4 方案的实施

　　2.4.1 叶片的加工

　　文中所研究的航空精密小叶轮的叶片厚度均一，没有锥度和曲率变化，属于最基础的直线元构型，因此从数控线接触加工的原理出发，研究刀具面族、刀具轴迹面和特征线的构造方法：在深入分析被加工曲面局部特征的基础上，提出了采用球头铣刀在扫描面上规划刀具路径的方法，进而利用UG建模，构造出叶轮的基本形状，如图1所示。构建出叶轮的模型后，需要制定合理走刀轨迹，进行数控加工编程，选择合适的刀具，确定最佳的切削参数。

　　根据零件的结构和材料的特点，综合考虑加工质量、加工效率和刀具寿命，制定了出粗加工、半精加工、精加工的铣削小叶片的数控加工路线。在编程时，不仅考虑到保证零件加工质量，如何实现高效加工也是要解决的问题之一。而数控加工增效的技术途径之一就是选择合理的切削参数。高效数控加工在选择转速、进给、切深综合优选时，存在多个切削稳定区，在此区域内选择的切削参数一般都可以保证零件质量，但效率却大大不同。对此次叶轮零件的加工，大胆地改变传统加工的思维模式，选择较高转速和进给的加工稳定区域， 加工效率大大提高。同时， 由于叶片属于薄壁结构， 极易变形， 通过选择较高的主轴转速， 降低了切削力，减少了叶片变形， 从而提高了零件加工质量。

　　铣削叶片时，按流道和叶身分成粗加工一一半精加工一一精加工， 其走刀轨迹，如图3所示：

图3 叶型加工走刀轨迹

　　经过反复调试程序， 确定了最后的加工程序， 进行了零件的加工。按上述方案及切削参数， 最终实际纯切削时间缩短为180分钟。

　　加工出的叶片表面粗糙度符合设计图纸的要求，不需要再进行手工抛光，加工时间也会大大缩短。由于程序量较大，而叶轮5个叶片相同，数控程序可以采用循环调用，节省设备储存量， 因此生成的数控程序为加工一个曲面的程序。

　　2.4.2 叶片的弯曲

　　叶片加工合格后，需将叶片弯曲成图2中的结构。叶轮零件整体尺寸较小， 分布着5个叶片， 而叶轮零件材料为16cr3NiwMoVNbE，属于新材料， 热处理后硬度较高，在弯曲时易产生裂纹或断裂，还要考虑叶片弯曲后的回弹问题， 因此在弯曲成型模具的设计时采用涨块型模具，通过反复修磨模具，最终完成了叶片的弯曲。

3 分析与结论

　　通过论证、分析并经试加工， 完成了叶轮加工工艺的攻关，制定了新的、切实可行的工艺方案，在五坐标加工中心上进行叶轮的加工， 利用uG建模、编程，采叶轮流道与叶身分别粗精加工， 并选择合理的走刀轨迹、切削参数， 经过反复调试，加工出了合格零件， 从而掌握了航空精密小叶轮零件数控加工技术，为今后同类件的研制做了技术积累；同时按此方案加工一个叶轮，纯切削时间为3小时，相较于最初方案的10小时加工一个零件，效率提高了3倍有余，加工质量也得到了保障，解决了叶轮加工的瓶颈问题。