機械設(shè)計及其自動化專業(yè) 開式三元葉輪高效數(shù)控粗加工策略研究論文

制造工藝11122開式三元葉輪高效率數(shù)控粗加工策略Study of High Efficiency Machining Strategy in Open 3D Impellers Roughing Process摘要：論述了五軸數(shù)控粗加工的高效銑削策略和關(guān)鍵技術(shù)，對于影響數(shù)控粗加工效率的主要因素進行了分析，對于高速鋼銑刀和硬質(zhì)合金銑刀采用側(cè)銑和插銑數(shù)控加工方法以及刀具選擇進行了簡要敘述，并且通過大量三元葉輪實際加工總結(jié)了一種面向三元葉輪加工特征、考慮刀具壽命的粗加工策略的原則，使三元葉輪的加工效率大大提高。關(guān)鍵詞：三元葉輪;高效;粗加工中圖分類號： 文獻標(biāo)志碼：文章編號：1006-8155（2012）01-0000-00Abstract: This paper discussed the high efficiency machining strategy and the key technology of roughing process on 5 axis machining center based on the geometrical structure of 3D impeller. Analyzed the main factors that effect the machining efficiency and described the flank milling with high speed steel cutting tool and plunge milling with carbide cutting tool as well as the selection of cutting tool. Pointe out the principal factors that influent the efficiency and how to avoid it. Drew a conclusion of machining principle based on large quantity of 3D impeller machining experience to acquire high efficiency and large economic benefit. Key Words: 3D Impeller High Efficiency Roughing Process 0引言隨著離心壓縮機、鼓風(fēng)機技術(shù)的不斷提高，作為其“心臟”部件的三元葉輪制造越來越多，為了適應(yīng)對三元葉輪的高精度、短周期、低成本的要求，如何提高三元葉輪的數(shù)控加工效率成為一個亟待解決的問題。三元葉輪銑前為整個毛坯料，粗加工的目的在于快速去除大部分材料余量，以提高生產(chǎn)率，同時為后序加工創(chuàng)造條件，目前在三元葉輪加工中，80左右的時間花在粗加工上，因此從縮短交貨期和降低生產(chǎn)成本方面，粗加工已經(jīng)成為重要加工階段。經(jīng)過多年的生產(chǎn)實踐研究總結(jié)了一整套高效數(shù)控粗加工方案，本文就方案的關(guān)鍵技術(shù)加以簡述。1 三元葉輪高效數(shù)控粗加工方法和關(guān)鍵技術(shù)1.1 三元葉輪的幾何構(gòu)造收稿日期：2011-07-20 沈陽市 110869市 710611離心壓縮機、鼓風(fēng)機三元葉輪一般葉片形式分為直紋面和自由曲面。直紋面是由一條直線連續(xù)運動所生成的曲面，它可以由方程式表達出來；自由曲面形式的葉片沒有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式表達，它是設(shè)計人員根據(jù)氣體動力學(xué)原理，通過大量計算，得出葉片吸力面和壓力面上的離散數(shù)據(jù)點。但是不論是哪種葉片曲面形式，它的葉輪幾何構(gòu)造都分為葉片壓力面、吸力面、蓋盤線、軸盤線、圓頭幾何構(gòu)造、輪轂、葉片根部圓角這幾個部分組成（見圖1），蓋盤線圓頭輪轂軸盤線吸力面和壓力面圖1 三元葉輪幾何構(gòu)造而且在粗加工方法上也無大的差別。下面介紹我公司合金鋼KMN材料和不銹鋼FV520B材料的三元葉輪在高效數(shù)控粗加工過程的主要數(shù)控加工策略和關(guān)鍵技術(shù)。 1.2 主要高效加工策略和關(guān)鍵技術(shù)如何形成效率高的三元葉輪粗加工，有幾種因素要考慮，一個很好的加工方案應(yīng)該考慮如下幾個因素：工件、夾具、主軸轉(zhuǎn)速、進給量、刀具材料、刀具幾何形狀、刀具的走刀方式、切削液流暢情況以及機床性能，這些都需要認(rèn)真地考慮，才能高效加工出完美的三元葉輪。對于加工方式和刀具選擇有兩種粗加工方式，一種是側(cè)銑，另一種是插銑（見圖2），三元葉輪的粗加工方法，無論是采用側(cè)銑還是插銑加工側(cè)銑加工圖2 加工三元葉輪兩種走刀方式插銑，無論是三角形、條形，還是U形加工路線，總的加工原則是直徑大的刀具銑削較寬的區(qū)域，直徑小的刀具銑削較窄的區(qū)域；葉片在輪轂附近的區(qū)域，通過刀具路線較短；空C 葉片深處的區(qū)域刀路減少B 空走刀的路徑減少A 分區(qū)域加工圖3 3種加工策略舉例走刀的路徑盡量減少；（見圖3），U形走刀路線的好處在于省去開槽走刀，使刀具的擺角為拖刀方式加工，對于減少磨損和機床的性能發(fā)揮、進給率的加快都有好處；在使用高速鋼刀具側(cè)銑粗加工葉輪，最好使用平底刀具，它的加工效率是球頭刀的1.6倍左右，尤其是粗加工大直徑三元葉輪時，平底高速鋼的刀具的效果更優(yōu)于球頭刀，刀具的成本低，但是高速鋼刀具的耐磨性差，切削速度低，因此使用高速鋼的刀具進行側(cè)銑粗加工的原則是在老化的、主軸的轉(zhuǎn)速和扭矩都大幅降低的五軸機床上使用。在加工中，刀軸角度是至關(guān)重要的，刀軸的角度主要是由葉片扭曲的形狀和輪轂曲面兩個因素決定的。所以說粗加工如果采用側(cè)銑的方式，把導(dǎo)動面即輪轂曲面設(shè)為蓋盤面的等距面，這樣刀軸在每個點之間的運動，刀軸變化的最小，刀軸變化既連續(xù)光順，旋轉(zhuǎn)軸的運動也將很大程度的減少。在使用硬質(zhì)合金刀具進行插銑粗加工時（見圖4），使刀具的徑向受力大大減少，刀具只受軸向力，而且每一次走刀從蓋盤線位置一直插到輪盤線位置，加工時，刀具只兩個直線軸方向移動，B軸轉(zhuǎn)動只是輔助運動，在主軸轉(zhuǎn)速高，具有良好的傳動裝置和伺服系統(tǒng)及主軸冷卻系統(tǒng)、主軸剛度高的機床上進行插銑，進給量將大大提升，效率顯著提高。圖4 插銑刀具需要注意的是，在插銑過程中，因為刀具中心沒有切削刃，切削速度為零，因此刀具的切削寬度要小于刀片切削的規(guī)定值，如果大于刀片的規(guī)定值，由于輪轂曲率變化的原因，刀具中心不得不參與切削，將在下一切削點造成刀具“頂?shù)丁爆F(xiàn)象（見圖5），發(fā)生“頂?shù)丁钡奈恢脠D5 插銑過程中的頂?shù)冬F(xiàn)象因此在曲率變化不大的區(qū)域，刀軸變化要一致，在不同曲率區(qū)域，刀軸角度要隨時調(diào)整，使刀具中心不參與切削，同時采用從進口處和出口處兩邊分別向中心位置銑削的方法。使用插銑方法進行三元葉輪粗加工時可以去除95的金屬材料，剩下的5使用普通方法去除，可用高速鋼刀具加工，加工部位為葉片進口輪轂處的金屬以及葉片根部圓角部位，這樣的好處是葉片進口輪轂處寬度較窄，使用插銑方法時選擇的刀具直徑較小，且刀具的長度也會較長，刀具的剛性急劇下降，加工效率會大大降低，使用高速鋼刀具用普通方法加工，可以確保加工尺寸的精度。以上扼要講述了主要高效粗銑三元葉輪的主要策略，由于篇幅的限制，一些其他因素沒有介紹，在實際銑制中要根據(jù)機床的性能，結(jié)合切削用量的合理參數(shù)、經(jīng)濟成本等因素，相互適應(yīng)，以形成最佳的高效率的切削加工。2結(jié)論本文簡要介紹了在生產(chǎn)實際加工中的一些經(jīng)驗，關(guān)于具體的高效數(shù)控加工細節(jié)方面希望以后能與同行業(yè)人士進一步交流，例如葉輪精加工的效率問題、葉片精度的保證等等。三元葉輪作為五軸加工的典型部件，它的加工效率越來越受到關(guān)注，目前國外風(fēng)機企業(yè)正在加大技術(shù)投入，不斷總結(jié)加工方法、切削用量的確定和刀具的選擇問題，使三元葉輪的加工效率逐步提高，國內(nèi)也在加強研究使三元葉輪加工效率邁上了一個新的臺階，不久的將來會實現(xiàn)世界同行的先進水平。參考文獻1 Cutter-Path Generation for 5-Axis Milling of Turbomachinery components users guide MAX-5 Version 6.3. Concepts NREC.2002,8.作者簡介：魏國家（1972,9-），男，2004年3月機械制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)，工學(xué)碩士，高級工程師，主要研究方向：數(shù)控加工技術(shù),目前主要負責(zé)鼓、壓風(fēng)機定、轉(zhuǎn)子部件數(shù)控加工制造，包括三元葉輪銑制加工和焊接機器人的焊接控制程序編制。通訊地址：沈陽鼓風(fēng)機（集團）有限公司技術(shù)中心工藝部，電話：（024）25801941，E-mail:weiguoj3353。 裴立群（1979,4-），女，2005年3月機械制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向：數(shù)控加工技術(shù),目前主要負責(zé)鼓、壓風(fēng)機定、轉(zhuǎn)子部件數(shù)控加工制造，包括三元葉輪銑制加工和焊接機器人的焊接控制程序編制。通訊地址：沈陽鼓風(fēng)機（集團）有限公司技術(shù)中心工藝部，電話：（024）25801941，E-mail:peipei197947。