曾 強，張志森，肖輝進

(四川文理學院理工系，四川 達州 635000)

螺旋誘導輪是一種結(jié)構新穎、性能優(yōu)良的流體裝置，自身具有良好的抗腐蝕和汽蝕性，廣泛應用于航空、航天、機械、化工等行業(yè)的透平機械中．這類零件形狀特征明顯，工作型面的設計涉及到空氣動力學、流體力學等多個學科，因此曲面加工手段、加工精度和加工表面質(zhì)量對其性能參數(shù)都有很大影響．

傳統(tǒng)的螺旋誘導輪生產(chǎn)的方法是采用鑄造成型后修光．而隨著工業(yè)要求的發(fā)展，螺旋誘導輪工作曲面形狀更加復雜，制造模具的難度非常大，工藝過程復雜，制造成本高，并且傳統(tǒng)加工出來的誘導輪葉片的表面光潔度差，而且葉片精度難以保證，動平衡性能差．

現(xiàn)代的整體式誘導輪加工是指輪廓和葉片在同一毛坯體上進行的整體加工，而不采用鑄造成型或葉片加工成形后焊接在輪廓上的工藝方法．一般都要在五坐標聯(lián)動機床上進行加工，它功能強大、加工效率高、質(zhì)量好，受到制造業(yè)內(nèi)人士的青睞．但在加工中有很大的難度，必須要選擇好合適的刀具及切削用量，規(guī)劃好流道及葉片加工方法．

1 螺旋誘導輪的分析

1．1 圖樣分析

圖1為兩葉變螺距誘導輪，材料是00Cr17Ni14Mo2奧氏體不銹鋼，總長128．5 mm;輪轂呈錐形，輪緣直徑85 mm;相鄰葉片最小間距22．975 mm，葉片最薄處 1．5 mm，最厚處 3 mm，流道最深處達34．68 mm．

1．2 誘導輪加工難點

為了滿足誘導輪的使用要求，誘導輪采用了大扭角、根部變圓角等結(jié)構，而這就給誘導輪的加工提出了較高的要求，其加工難度如下：

1)誘導輪加工槽道窄，葉片相對較長，剛度低，是一種典型的薄壁類零件，加工過程中非常容易發(fā)生變形．這就增加了整體誘導輪加工難度．

2)這種誘導輪相鄰葉片最小間距22．975 mm，而且最窄處葉片深度34．68 mm，若在用小直徑刀具加工的情況下，刀具剛性差，容易折斷．

圖1 螺距誘導輪模型圖

3)工件材料的切削性能極差．誘導輪材料的化學成分與力學性能分別如表1和表2所示．因為存在著大量的Cr和Ni使鋼在常溫下呈奧氏體狀態(tài)，不但有高的抗腐蝕和點蝕能力，而且其塑性和韌性也較高．切削過程中塑性變形大，強化系數(shù)很大，變形時，晶體間剪切滑移，晶格嚴重扭曲、拉長、纖維化以及破碎;加工硬化嚴重，切削抗力大;切削產(chǎn)生的熱量多，導熱系數(shù)低，散熱環(huán)境差，致使切削溫度高;切削時，帶狀切屑連綿不斷，卷屑、斷屑困難，積屑瘤現(xiàn)象嚴重;刀具易磨損;線膨脹系數(shù)大，容易產(chǎn)生熱變形，尺寸精度較難控制．切削性能僅為同等條件下45鋼的40%左右［1-2］．

表1 00Cr17Ni14Mo2不銹鋼的化學成分［1-2］

表2 00Cr17Ni14Mo2不銹鋼的力學性能［3］

所以要制造精度要求較高，幾何結(jié)構復雜的誘導輪，就要有良好的切削環(huán)境，合理的刀具及切削用量，流道及葉片加工策略，刀具路徑規(guī)劃．

2 誘導輪流道及葉片加工工藝流程

根據(jù)誘導輪的結(jié)構特點、材料的切削性能以及車間的實際情況，誘導輪流道、葉片及過渡面的數(shù)控加工選擇在由德國產(chǎn)的五軸聯(lián)動機床DMU100 monoBLOCK上進行．該機床配Heidenhain_iTNC530系統(tǒng)，主軸最高轉(zhuǎn)速可達12 000 r/min．在加工中可采用高轉(zhuǎn)速、大進給、小吃深的銑削方式，按要求設定合理的步距和行距，這樣使得切削力較小，切削較輕快，葉片變形也小，可以大大減輕加工硬化現(xiàn)象，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率．

選擇的刀具參數(shù)如表3所示．

表3 刀具

其加工工藝流程如表4所示．

表4 流道及葉片加工工藝流程

3 流道、葉片及過渡面CAM

采用CAM復合加工技術有利于誘導輪加工的實現(xiàn)［1，3-5］．

3．1 流道加工軌跡規(guī)劃

流道粗、精加工采用可變軸輪廓銑的方式進行，選取流道面為驅(qū)動面，葉片面為干涉檢查面，用插補刀具軸的方式來控制刀軸的變化．插補刀具軸的特點是通過在指定點定義矢量方向來控制刀具軸．當驅(qū)動或零件幾何體非常復雜，又沒有附加刀具軸控制幾何體時，插補刀具軸可以控制劇烈的刀具軸變化，還能調(diào)節(jié)刀具軌跡，以避免碰撞到障礙物，還可以從驅(qū)動幾何體上去定義所需要的足夠多的矢量以保證光順的刀具軸移動．在葉片面與輪轂的交線上定義一系列的矢量以控制刀軸．輪轂面上其余刀具位置點的刀軸矢量由U、V雙向線性插值或樣條插值獲得，如圖2所示．加工刀軌及在UG的可視化仿真如圖3所示．

圖2 驅(qū)動面和刀軸插補

圖3 流道粗加工刀軌及其可視化仿真

3．2 葉片加工軌跡規(guī)劃

根據(jù)誘導輪葉片面的幾何特征，葉片面的粗、精加工均采用可變軸輪廓銑的方式進行，選擇葉片面為切削區(qū)域和驅(qū)動面，而流道面、其他相鄰葉片面和輪轂面作為干涉檢查面，刀軸矢量選擇相對于矢量控制，如圖4所示．

圖4 流道加工刀軌

3．3 過渡曲面清根加工軌跡規(guī)劃

過渡曲面的清根選擇過渡曲面為驅(qū)動面，流道面、相鄰葉片面和輪轂面作為干涉檢查面，采用的相對于矢量方式控制刀軸，為了有效避免過切和干涉碰撞，要合理地設置引導角、傾斜角及進、退刀方式．如圖5所示．

圖5 過渡曲面精加工刀軌

4 仿真驗證和試切加工

誘導輪的編程是一個非常復雜的過程，編制好的數(shù)控程序可以通過Vericut仿真軟件進行反復仿真驗證，檢查過切、欠切等問題，并及時修改和優(yōu)化．誘導輪仿真加工如圖6所示［1］．

圖6 誘導輪仿真加工

在加工程序確認無誤的情況之下，還必須在實際的機床上進行試切．試切時，一般先切出一個完整的流道和一對葉片．試切不但可以檢查出數(shù)控程序的一些問題，還可以調(diào)試切削的一些工藝參數(shù)，以便能高效加工出合格的誘導輪．其加工如圖7所示．

圖7 誘導輪加工

5 結(jié)語

文章通過對00Cr17Ni14Mo2奧氏體不銹鋼螺旋誘導輪的分析，合理地選擇了加工刀具、切削參數(shù)和加工工序，在誘導輪的流道、葉片及過渡曲面上采用了不同的加工策略;根據(jù)刀軌編制出數(shù)控程序，并進行了加工仿真和優(yōu)化．試切加工證明，在加工過程中解決了干涉碰撞和過切問題，避免了積屑瘤的形成，減小了加工硬化現(xiàn)化現(xiàn)象，減小了刀具的磨損，大大提高了刀具使用壽命和生產(chǎn)效率，加工好的誘導輪完全符合設計和使用要求．

［1］曾強．葉輪類零件的五軸聯(lián)動數(shù)控加工與仿真［D］．成都：西南交通大學，2009．

［2］艾興，肖詩剛．切削用量簡明手冊［M］．北京：機械工業(yè)出版社，1994．

［3］曾強，田懷文．基于EdgeCAM的整體葉輪的車銑復合加工［J］．機床與液壓，2010(5)：101-103．

［4］司徒渝．葉輪五軸聯(lián)動數(shù)控加工關鍵技術研究及在DMU100T機床中的實現(xiàn)［J］．制造技術與機床，2008(9)：121-124．

［5］馬廷洪，韓亞軍．基于CimatronE軟件的瓶身數(shù)控加工與編程優(yōu)化［J］．重慶文理學院學報：自然科學版，2011，30(3)：60-62．