整体叶轮叶片的五轴数控铣削加工解决方案

2017年12月18日

 undefined整体叶轮是涡轮式发动机、涡轮增压发动机的核心部件。它在能源动力、航空航天、石油化工、冶金等行业中均有广泛的应用,是具有代表性的,且造型比较规范的、典型的通道类复杂零件。其型面的加工手段、加工精度和加工表面质量直接影响发动机的空气动力性能和机械效率,对发动机性能有决定性的影响。整体叶轮因其曲面的复杂性和加工精度高,使其成为典型的难加工零件。

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  随着市场对涡轮发动机的需求越来越大,实现整体叶轮的高效加工也愈发必要。目前整体叶轮常见的材料有铝合金、钛合金、不锈钢等。

  叶轮加工的复杂性主要在于叶片的曲面造型很复杂,其曲面根据成型原理可以分为直纹曲面和非直纹曲面,而直纹曲面又可分为可展直纹面和非可展直纹面。五轴数控铣削加工柔性好,加工效率高,适用广泛,是整体叶轮加工常用的方法之一。根据叶轮的曲面形状的不同,在数控机床上加工时通常采用两类方法,分别为点铣法和侧铣法。

  由于整体叶轮的形状比较复杂,叶片的扭曲大,加工极易发生干涉,因此其加工的难点在流道、叶片的粗、精加工。在整体叶轮的数控加工过程中,为了尽量减少由于刀具引起的过切和干涉,且在加工较窄流道时刀具仍能有较好的刚性,往往使用锥度球头铣刀。

  为了使叶轮满足气动性的要求,叶片常采用大扭角、根部变圆角的结构,这给叶轮的加工提出了更高的要求。整体叶轮加工技术要求包括尺寸、形状、位置和表面粗糙度等几何方面的要求,也包括机械、物理和化学性能的要求。叶轮叶片必须具有良好的表面质量,精度一般集中在叶片表面、轮毂的表面和叶根表面,表面粗糙度值应小于Ra0.8um。

  为了满足上述要求,整体叶轮在加工过程中常会遇到以下几种问题:

  ①、整体叶轮流道较窄,叶片相对较长,刚度较低,属于薄壁类零件,加工过程极易变形。在加工过程中,由于自身结构和外部切削力的作用,流道的入口和叶片上端会产生震纹。有时为了避免产生震纹,往往要改变刀具的锋利度,这又将会使流道的入口、出口和叶片边会产生毛刺。为了保证整体叶轮的表面质量,需要刀具在有足够刚性的情况下,又能有足够的排屑空间以及合适的锋利程度。

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  ②、流道最窄处叶片深度远远超过刀具直径,相邻叶片空间极小,在清角加工时刀具直径较小,刀具容易折断,切削深度的控制也是加工的关键技术。

  ③、整体叶轮曲面为自由曲面,流道窄,叶片扭曲比较严重,并且有明显的后仰趋势,加工时极易产生干涉,加工难度较大。有些叶轮由于有副叶片,为了避免干涉,要分段加工曲面,因此,保证加工表面的一致性也有困难。

  ④、考虑到整体叶轮在实际工作中高速旋转,转速达30000-50000转,要防止震动并降低噪声,所以对动平衡的要求高,这就提高了对机床及刀具的要求,既要节约加工节拍,又要保证切削的平稳性和对称性。

  综合考虑机床、刀具、夹具及整体叶轮的刚性,设计合理的刀具结构、选择合适的制造工艺,就能够满足整体叶轮的制造要求。

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