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基于NX的径流式叶轮工序集中五轴制造工艺研究

2018/2/14    来源:互联网    作者:吴雁  吕博鑫  吕仕强  郑刚  张杰人      
关键字:径流式叶轮  整体制造  工序集中  工艺优化  
基于先进制造技术及软件平台,针对某内置典型复杂曲面径流式叶轮的结构特点,改进了传统工艺制造流程,基于NX的通用编程策略进行叶轮程序编制,应用先进的五轴高速加工中心完成小直径多级叶片叶轮的一次性加工,整体叶轮加工效率提高38.4%,实现该系列径流式整体叶轮零件的工艺提升,制造质量可控性增强,满足技术文件要求,良好地还原设计理念,对类似结构复杂曲面零件的制造有一定指导意义。

    叶轮回转体零件是动力推进系统及环控系统的核心零部件,被广泛应用于航空航天、船舶、军事、精密医疗设备及高端机械装备等诸多领域。复杂曲面叶轮为典型弱刚性结构难加工零件,其叶片及流道的工作型面融合了流体力学、空气动力学等诸多学科的综合理论知识,不同的加工手段及方案带来的加工精度和表面质量对装机后装备的机械性能保障具有重要作用,提高其制造质量有利于后续动平衡实验、超转试验以及装机后的装备可靠性,因此,复杂曲面整体叶轮零件的制造一直是透平制造领域中的重要课题。而直径在250mm以下的直径较小的复杂曲面叶轮由于零件刚性、切削刀具刚性及零件本身特殊的结构带来的加工干涉等问题,制造更为困难。传统的加工方案是采取分散的工艺模式组织生产,各部位采用不同机床分多工序加工完成,会产生较大的装夹累积误差,导致径向均布的叶片和流道尺寸不稳定,在后续动平衡试验中去质量过大或根本无法满足试验要求,导致产品批量报废。

    近年,随着计算机辅助制造技术和五轴联动高速加工中心等一大批先进制造技术和先进制造装备的广泛应用,我国制造叶轮回转体零件的硬件条件达到了一流水平,软件上还需摸索出一整套复杂曲面零件工序集中制造的工艺解决方案,使复杂曲面零件的整体制造得到软、硬件双支持。目前有许多工程师和学者对叶轮的整体制造进行了研究,如沈阳鼓风机集团有限公司和沈阳工程学院对大直径的三元叶轮制造工艺进行了优化,提高了切削效率;东方电机股份有限公司的吴伟对闭式整体叶轮进行了刀具轨迹的优化;装甲兵工程学院的田欣利等研究了叶片多轴数控加工的方法;曾豪华等解决了刀具切削间隔的计算和刀路轨迹的求解,并进行了仿真分析;哈尔滨工业大学和北京动力机械研究所的赵鹏飞对闭式叶轮的数控加工关键技术进行了系统的研究,但是目前对于较小直径的叶轮鲜有系统完善的整体制造解决方案。文中基于NX的通用CAM编程模式,提出完整的工艺解决方案,该方案的应用使得制造出的整体叶轮零件叶片与流道的加工精度有较大提升,制造质量可控性较强,并在后续动平衡实验、超转实验及装配工序中都取得了较好的效果。

1 叶轮加工工艺特点

    复杂曲面叶轮具有特殊的结构:(1)叶片型面多为直纹曲面或非直纹曲面,且扭曲较严重;(2)叶片间流道狭窄,扭曲率大,加工时易产生干涉和碰撞,加工难度高,有时为了避免干涉或保证叶片铣削刚度,有的曲面要进行分段加工,因此保证加工表面的一致性也有一定困难;(3)由于叶轮零件的曲面轮廓复杂,在其制造过程中,刀轴矢量变化剧烈,产生的振刀纹会严重影响叶片加工的表面质量;(4)许多叶轮叶片的前缘圆角曲率半径变化很大,加工过程中机床角度变化大,并且实现环绕叶片加工较难;(5)航空航天类零件要求精度高,表面质量好,技术文件要求其曲面轮廓度误差控制在±0.15mm以内,要求近乎苛刻;(6)叶轮零件加工具有特殊要求,除了尺寸精度和表面精度要求之外对切削刀纹也有要求,刀纹要顺着流的方向,数控加工后无需手工打磨修挫;(7)在制造过程中,在切削力、夹持力、切削振动、金属纤维变形及残余应力的综合影响下,叶轮叶片极易产生过切、欠切等制造缺陷,较薄的叶片前缘甚至会引起叶片断裂导致叶轮报废。

    图1所示为某装备内置径流式复杂曲面整体叶轮三维模型图,该叶轮为多级叶片叶轮,其叶轮的进口直径为Φ=69.4mm,出口直径为Φ=139.2mm,一、二级叶片径向均布各9片。出口叶片高度H=8.38mm,进口叶片高度H=34.6mm,材料为5A02。叶片曲面为直纹曲面,叶片厚度较薄且曲率变化较大,流道狭窄且扭曲严重。

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    图1 多级径流式整体叶轮

2 加工工艺流程设计

2.1 毛坯选择

    叶轮的整体加工是采用轮毂与叶片在一个毛坯体上进行加工成形,而不采用叶片加工成形后焊接在轮毂上的工艺方法。为提高整体叶轮的强度,满足设计要求,整体叶轮毛坯采用锻压件,经车削加工出叶轮回转体的基本形状,含有锻压硬皮的毛坯粗车削时尽量安排普车加工,选用强度高耐用度好的刀具,以满足大背吃刀量、大进给量要求。铣削工序时,考虑批量生产时装夹定位装夹方便,使用三爪卡盘和定位芯轴进行装夹,整个夹具系统依靠压板螺栓或沉头螺钉紧固于机床平台之上,百分表找装夹系统径向跳动量不大于0.02mm。

2.2 工艺流程设计

    整体叶轮零件的传统工艺方案需对其进行复杂的装夹定位,较复杂的叶轮结构遇到加工盲点时还需取下零件多工种数次装夹才能加工完成,而优化后的解决方案只需简单的几道工序,单次装夹便可完成叶轮的整体加工,加工所需装夹系统和刀具系统结构简单,操作者可节省大量用于特殊加工工具配置的工时,极大地增加了加工过程的柔性和可控性,既便于生产组织者的管理,又能够最大限度地缩短生产组织时间、提高机床利用率。

    整体叶轮的三维造型、程序编制、刀轨仿真和机床仿真加工均基于NX软件平台完成,工艺方案如图2所示。

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    图2 叶轮整体加工工艺方案

2.2.1 整体叶轮流道三轴粗加工

    整体叶轮流道三轴粗加工用于去除进口端流道大部分余量,以便在五轴粗加工时进刀,提高五轴铣削加工时的切削平稳性、减小刀具的切削阻力和切削振动,同时提高切削效率。整体叶轮零件NC程序编制过程中,程序圆点Z0设定于机床工作台平面上,选用Φ10R0.5无涂层硬质合金加长立铣刀,铣刀尖端略带圆角可有效提高刀具的耐用程度,主轴转速8500r/min,进给量2600mm/min,刀具切深2mm。由于去质量巨大,采用大量冷却液冲洗,便于排屑冷却。如图3所示刀具路径,编程策略采用型腔铣,由外向内进行切削,可在有效减小刀具所受切削力的同时,最大程度减小空切走刀,提高切削效率。粗加工完成后表面余量为0.5mm。

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    图3 流道三轴粗加工刀轨路径

2.2.2 整体叶轮流道五轴粗加工

    NX软件CAM模块中提出了一种插补驱动控制刀具轴方法,这种刀具轴矢量控制方法不仅用于叶轮加工,也可以用于其他各种零件的加工,是一种通用的加工方法。整体叶轮零件流道粗加工程序编制中,采用插补驱动控制刀具矢量方向对整体叶轮零件流道粗加工进打程序编制,并使零件流道底部留一\定的余量。由于三轴铣削粗加工后部分余量的去除,给叶片粗加工带来方便,为提高粗切削效率及刀具在粗加工时的钢性,减小刀具的切削振动,同时使刀具一次铣削加工中材料去除率为最高,选用刚性较好的Φ2.5R1.25锥度10°的锥度无涂层硬质合金加长球头铣刀进行叶片间流道余量的铣削,在程序编制过程中,有效地应用五轴铣削加工刀轴矢量控制策略,控制其刀具轴摆向,避免加工过程中干涉和碰撞现象产生。刀具轨迹如图4所示。

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    图4 叶轮流道五轴粗加工刀轨路径

2.2.3 整体叶轮叶片五轴粗加工

    根据该整体叶轮零件叶片参数及设计要求,叶片粗加工采用直纹面驱动控制刀具矢量的五轴加工策略进行,该方法可有效保持刀具矢量与驱动几何体平行,从而控制刀具矢量驱动轨迹和矢量方向。叶片粗加工结束后单面留余量0.3mm,保证精铣进行小余量切削,增强表面加工质量,相关尺寸能够得到控制。

    进行整体叶轮零件的叶片粗加工程序编制时,空间摆角参数,最大步长参数,工件内、外公差参数等不可选择太小,公差参数越小则加工质量越高,但同时带来的弊端是加工时间过长影响加工效率,故需要依据现场实际情况对相应公差参数进行合理选择。非切削移动选项可对刀具在运行过程中的进/退刀高度、速度、轨迹等进行设置,从而获得安全、快速、合理的非切削移动刀具轨迹。通过对整体叶轮零件的叶片粗加工导动策略、刀轴矢量控制策略及相关切削参数拟定后,生成的刀具轨迹如图5所示。

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    图5 叶轮叶片五轴粗加工刀具轨迹

2.2.4 整体叶轮叶片五轴精加工

    通过上述两步粗加工去除了叶轮流道的绝大部份余量,在叶片精加工程序编制中,为降低叶片表面粗糙度值,减小刀具的切削振动,提高其在叶片精加工时的刚性,采用顺铣方式使叶片精加工时所受的切削力尽可能减小。同时,为使刀具在切削过程中切削力的指向性以切向力为最大,尽可能减小叶片的切削振动,刀具安装的悬长应尽可能短,以刀具切削时机床、夹具系统、刀具组合体之间不产生干涉及碰撞即可。切削参数选用时,转速不应设置太高,以免切削过程中产生震动影响叶片的加工质量。根据该整体叶轮零件设计要求,叶轮流道与叶片以R1.6圆弧过渡,所以叶片精加工时刀具选用Φ2.5锥度6°无涂层硬质合金加长球头铣刀,以保证叶片精加工时叶轮流道与叶片之间能够相交完好。

责任编辑:张纯子
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