引言

鈦合金被廣泛用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪熱端部件，鈦的強(qiáng)度是鋁的 1.3倍，鎂合金的1.6倍，不銹鋼的3.5倍。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，僅是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25。切削區(qū)散熱慢，不利于熱平衡，在切削加工過(guò)程中，散熱和冷卻效果很差，易于在切削區(qū)形成高溫，加工后零件變形回彈大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快，耐用度降低。因此，使用鈦合金制造葉輪零件的加工難度較大，成本較高。該文通過(guò)定制刀具和合理的工藝路線以及使用高速加工設(shè)備來(lái)優(yōu)化加工。采用高速五軸機(jī)床加工設(shè)備，利用Hypermill的加工策略生成加工命令，達(dá)到科學(xué)控制機(jī)床的目的，減少零件加工生產(chǎn)過(guò)程中的偏差，利用定制刀具實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，提高產(chǎn)品的加工精度。

1、Hypermill 專用軟件

Hypermill 是德國(guó)公司開(kāi)發(fā)的CAM軟件，OPEN MIND公司主推的五軸加工模塊的版本。該軟件具有強(qiáng)大的五軸葉輪加工功能，高速五軸機(jī)床是指利用定制刀具等高速加工的機(jī)床。基于Hypermill的應(yīng)用，Hypermill具有專業(yè)的葉輪數(shù)控加工模塊，輕松地實(shí)現(xiàn)了智能化操作，參數(shù)設(shè)置，同時(shí)配有完整的刀具干涉檢查及干涉避讓功能，極大地為用戶縮短了程序開(kāi)發(fā)的時(shí)間。在數(shù)控加工市場(chǎng)中，該軟件具有五軸加工等的優(yōu)勢(shì)，擁有十分廣闊的市場(chǎng) [1]。

2、鈦合金葉輪加工工藝分析及應(yīng)用

利用 Hypermill軟件五軸編程的功能，在模塊編程之前，利用計(jì)算機(jī)設(shè)備的可視化功能，構(gòu)建零件加工圖樣，并對(duì)圖樣的各項(xiàng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析、控制，對(duì)圖樣中階段進(jìn)行 適當(dāng)調(diào)整，使其可以滿足自動(dòng)編程的功能要求。選擇某型號(hào)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的葉輪作為應(yīng)用加工對(duì)象，葉輪是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，其作用是通過(guò)帶有葉片的壓氣機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)，使空氣的壓力增高，密度增大，在提高燃燒的效率同時(shí)增加噴氣速度產(chǎn)生的推力。因葉輪的葉片在高溫燃?xì)獍鼑鹿ぷ鳎粌H承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片自身的離心力、氣動(dòng)力、熱應(yīng)力以及振動(dòng)負(fù)載，而且在熱燃?xì)庾饔孟逻€易于腐蝕，所以葉輪的葉片質(zhì)量尤為重要。該文主要以模型號(hào)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪為例，如圖1所示，包括長(zhǎng)葉片、短葉片、流道。它采用的材料為鈦合金，零件表面特征的加工精度直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)，屬于難加工較復(fù)雜的零件。

2.1 鈦合金葉輪加工內(nèi)容

某型號(hào)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)中的核心零件葉輪，如圖2所示，該文試制的整體葉輪有 11組葉片，葉輪直徑為 D=240mm，葉輪高度 H=120mm，相連葉片間最薄處 T=1.6mm 該零件為生產(chǎn)試制。工件材料為鈦合金，毛坯為鈦合金毛坯件，毛坯直徑 Φ250mm，高度125mm可以分析出加工攻關(guān)難點(diǎn)如下。

1）整體葉輪的葉片之間的開(kāi)粗去除量較大這就要求開(kāi)粗刀具具有耐磨損，持續(xù)加工時(shí)間長(zhǎng)。為了使葉輪滿足氣動(dòng)性的要求，葉片常采用扭角大、根部圓角過(guò)度的結(jié)構(gòu)。

2）整體葉片開(kāi)粗之后需要進(jìn)行半精加工，要求刀具錐度角較小才能有效滿足半精加工要求，葉片屬于薄壁類零件，剛度低，數(shù)控加工過(guò)程中極易變形。

3）一組葉片中長(zhǎng)葉片與短葉片之間的空間角度較小，在最后精加工時(shí)要求刀具錐度角小，刀具細(xì)而長(zhǎng)極易折斷；因葉片屬于鈦合金材料采用大扭轉(zhuǎn)角，扭曲嚴(yán)重，數(shù)控加工過(guò)程中極易出現(xiàn)干涉，數(shù)控加工難度大。

2.2 葉輪數(shù)控加工工藝過(guò)程

工件材料為鈦合金，毛坯為鈦合金毛坯件，毛坯直徑Φ250mm， 高度125mm，根據(jù)零件圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，在提高數(shù)控加工效率和數(shù)控加工精度前提下，工藝設(shè)計(jì)方案將葉輪數(shù)控工藝分為車工序和五軸加工工序 2個(gè)階段，該文主要以五軸數(shù)控加工為主，車削不再贅述。五軸數(shù)控加工主要有以下幾道工序。工裝示意如圖 3所示。

加工工藝方案如下。

1）葉輪粗?jǐn)?shù)控加工：對(duì)葉輪進(jìn)行開(kāi)粗，使用大刀具快速除去葉片之間的多余材料，為下一步數(shù)控加工做準(zhǔn)備。

2）葉片半精數(shù)控加工：半精數(shù)控加工主要是為了保證精加工余量比較均勻，刀具切削負(fù)載穩(wěn)定，為精數(shù)控加工做準(zhǔn)備。

3）流道及葉片精數(shù)控加工：精數(shù)控加工主要為了獲得高要求的數(shù)控加工精度和表面質(zhì)量。粗?jǐn)?shù)控加工留下的流道面可以直接進(jìn)行精數(shù)控加工。

2.3 葉輪數(shù)控加工工藝參數(shù)

葉輪數(shù)控加工工藝參數(shù)確定根據(jù)以上工藝過(guò)程擬定工藝切削參數(shù)見(jiàn)表 1。

2.4 采用 Chiron FZ12高速五軸機(jī)床加工工藝分析

用鈦合金毛坯，粗車鈦合金毛坯時(shí)需要按照葉輪三維數(shù)模整體放余量的工藝方式進(jìn)行開(kāi)粗，毛坯圖如圖4所示。芯棒定位裝夾，校正，精車葉片外圓，在保證加工基準(zhǔn)的前提下，一次成型端面及葉片輪廓樣條線，滿足工藝凸臺(tái)的余量端面平面度要求（葉片頂部及外輪廓均留有余量），粗車圖如圖 5所示。

通過(guò)專用工裝裝夾，校正車床一次成型外圓基準(zhǔn)，以保證端面和小端外圓的垂直度滿足形位公差的要求。再進(jìn)行五軸高速機(jī)床葉片粗加工，粗加工毛坯如圖 6所示。

葉片半精加工圖如圖 7所示，通過(guò)定制錐度球頭銑刀，半精加工余量以保證精加工時(shí)余量均勻。

流道葉片精加工到位如圖 8所示，調(diào)整工藝切削參數(shù)以保證葉片精度，表面粗糙的等形位公差要求 [2]。

2.5 定制刀具分析

新工藝方法采用的是刀具制造商 ET公司的鈦合金專用刀具具有微粒硬質(zhì)合金基體和超硬納米 TiAIN PVD涂層，牌號(hào)為 S05F（刀具清單見(jiàn)表2），能保證在高溫鈦合金加工時(shí)減少積屑瘤的生成。這種新涂層可使刀具壽命延長(zhǎng)20％~30％，型面輪廓加工一致性好，提升渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)平衡試驗(yàn)效率。

3、用 Hypermill 加工軟件程序設(shè)計(jì)

數(shù)控編程技術(shù)是工藝技術(shù)文件準(zhǔn)備階段的核心內(nèi)容之一，是直接影響加工零件精度與加工效率的核心因素，如何合理地使用編程軟件以及程序設(shè)計(jì)師的數(shù)控工藝思路是保 證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵要數(shù)。

步驟一：根據(jù)零件維圖調(diào)整編程加工坐標(biāo)系，創(chuàng)建零件毛坯圖以及如何工裝夾具如圖 9所示。

步驟二 ：創(chuàng)建五軸銑削加工坐標(biāo)系。

步驟三：分析零件特征創(chuàng)建銑削加工特征、葉片粗加工特征、流道加工特征。

步驟四：根據(jù)零件特征設(shè)置加工所需的定制錐度球頭銑刀，并根據(jù)所要加工的特征設(shè)置加工工藝參數(shù)，開(kāi)粗毛坯如圖 10所示。

步驟五 ：根據(jù)葉片的加工特征選擇加工策略編制所需要的加工路徑，并設(shè)置合理的加工參數(shù)，圖11為五軸聯(lián)動(dòng)等粗加工葉片刀路，圖 12為葉片五軸側(cè)刃精加工刀路。

步驟六：調(diào)用機(jī)床，設(shè)置仿真切削參數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)的刀路進(jìn)行仿真檢驗(yàn)，機(jī)床仿真如圖 13所示。

步驟七：選用相應(yīng)機(jī)床的后處理輸出加工程序，加工完成數(shù)模成型如圖 14所示。

4、結(jié)論

以上的研究工作表明，鈦合金材料應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)核心零件壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大。該文經(jīng)過(guò)充分論證，設(shè)計(jì)了整體葉輪加工工藝方案，選擇合理的鈦合金切削刀具的刀具角度和切削參數(shù)、工裝夾具，使五軸數(shù)控加工制造精度高，加工效率高，柔性好，能夠最大限度地降低加工成本，從而大幅度提高了鈦合金整體葉輪的生產(chǎn)效率以及產(chǎn)品質(zhì)量，達(dá)到批量生產(chǎn)的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]匡榮.鈦合金整體閉式葉輪五軸高速加工工藝試驗(yàn)研究[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（3）：5 .

[2]高東強(qiáng).軸流式閉式葉輪的五軸加工技術(shù)[J].工具技術(shù)，2018（8）：40.