戴美魁 霍珍珍 倪笑宇 馬立勇 任秀珊 高文秀

（1.河北建筑工程學院，河北 張家口075024；2.張家口機械工業(yè)學校，河北 張家口075024；3.北京交通職業(yè)技術(shù)學院，北京102200）

1 目前渦輪轉(zhuǎn)子的數(shù)控加工方法

分子泵整體渦輪轉(zhuǎn)子是機械式分子泵的核心部件，屬于葉輪類轉(zhuǎn)子零件如圖1.葉輪類零件是一類特征明顯、結(jié)構(gòu)比較規(guī)范且典型的旋轉(zhuǎn)類復雜零件.

圖1 整體渦輪轉(zhuǎn)子三維模型

圖2 渦輪轉(zhuǎn)子加工位置

目前對于渦輪轉(zhuǎn)子的加工是使用四軸機床以四軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)實現(xiàn)的.機床有x，y，z三個平動軸以及一個旋轉(zhuǎn)A軸.人工找正后以螺栓鎖緊.機床坐標系原點位于分度盤圓心，z軸垂直于工作臺且刀軸平行于z軸方向，轉(zhuǎn)子裝夾后其軸線與y軸重合，分度盤由旋轉(zhuǎn)軸A軸控制轉(zhuǎn)動，可繞y軸旋轉(zhuǎn)，如圖2.選用錐形銑刀如圖3，銑削兩葉片間部分.刀具在x，y軸線方向，以兩軸聯(lián)動方式呈平行四邊形運動軌跡沿兩葉片內(nèi)側(cè)輪廓加工，如圖4.應用這種這種加工方法加工渦輪轉(zhuǎn)子可有效解決轉(zhuǎn)子葉片層數(shù)多、間隙小等問題，且選用錐形刀進行加工使得刀桿彎曲變形較小有利于保證加工精度.但由于錐形刀加工時刀軸與葉片表面必須存在一定角度，所以加工方式一定為點切削，葉片表面光順度不高且加工效率難以進一步提高.

2 整體渦輪轉(zhuǎn)子的新型加工方法

由于應用目前加工方法加工渦輪轉(zhuǎn)子時存在加工效率有待提高、葉片表面光順度低等問題.為此，在保證轉(zhuǎn)子設(shè)計要求的前提下，設(shè)計并使用一種專用的自定位夾具裝夾轉(zhuǎn)子毛坯，以減小轉(zhuǎn)子裝夾誤差提高同軸度.設(shè)計編制新型加工軌跡并應用T型銑刀以面切削方式加工轉(zhuǎn)子葉片.在針對轉(zhuǎn)子零件的數(shù)控加工編程方面，選用通用軟件UG進行零件的建模和CAM仿真.

圖3 錐形銑刀圖

圖4 加工路徑

2.1 自定位夾具

渦輪轉(zhuǎn)子有多層葉片，且葉片之間的間隙很小，葉片使用小直徑錐銑刀高速銑削成形，不再有其它后續(xù)切削加工工序.生產(chǎn)準備階段裝夾轉(zhuǎn)子毛坯的重要問題，同時也是難點問題就是要保證轉(zhuǎn)子毛坯在夾具中的裝夾同軸度.

現(xiàn)有條件下，使用專用的自定位夾具可有效增加同軸率.如圖5所示，該夾具由夾具底座、螺柱、墊片及夾緊螺母組成.夾具底座通過4個螺栓固定在分度回轉(zhuǎn)工作臺上，如圖6可見.工件在夾具底座上實現(xiàn)定位，由螺柱、墊片及夾緊螺母夾緊，這種螺旋夾緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，增力比大，自鎖性能好.葉片加工的本身尺寸精度如厚度和角度要求主要由加工機床數(shù)控系統(tǒng)控制精度及走刀路徑?jīng)Q定.

圖5 整體渦輪轉(zhuǎn)子裝夾工位圖

圖6 整體渦輪轉(zhuǎn)子裝夾半剖圖

2.2 新型刀具路徑設(shè)計

分子整體泵渦輪轉(zhuǎn)子的加工過程是先由精密車床對最初的棒材毛坯進行車削加工，形成便于應用加工中心銑削加工轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子毛坯，如圖7.在應用數(shù)控加工中心銑削轉(zhuǎn)子葉片，最終完成加工.為更好的適應自尋位數(shù)控加工方法，提高生產(chǎn)效率及渦輪轉(zhuǎn)子葉片表面光順度，設(shè)計了一種先用立銑刀快速切除毛坯余量進行粗加工，再應用T型銑刀沿轉(zhuǎn)子葉片輪廓精加工的新型加工路徑.

由于粗加工的目的在于快速切除毛坯余量，使轉(zhuǎn)子基本成型，所以對于毛坯的粗加工可不應用自尋位數(shù)控加工方法，直接對其進行加工，加工路徑如圖8.對于轉(zhuǎn)子粗加工的參數(shù)可初步設(shè)定，采用逆銑的切削方向，切削深度為50mm，葉片厚度留有余量1mm，葉片長度留有余量10mm，每刀切削深度3mm，切削速度600mm／min，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速20 000 rad／min.

圖7 經(jīng)車削加工所得轉(zhuǎn)子毛坯

圖8 粗加工刀具軌跡

圖9 T型銑刀精加工轉(zhuǎn)子葉片軌跡

對于渦輪轉(zhuǎn)子的精加工，設(shè)計提出了一種應用T型銑刀沿轉(zhuǎn)子葉片輪廓側(cè)銑加工的新型加工路徑，此方法可增大刀具切削面積、提高加工效率、提高葉片表面光順度，同時由于其加工程序簡單、規(guī)律性強且不存在多軸聯(lián)動情況，比較適合應用自尋位數(shù)控加工方法，以進一步提高加工效率.

為適應轉(zhuǎn)子尺寸及加工要求，以加工第一層轉(zhuǎn)子葉片為例，可選用直徑為5mm、長度為65mm、刃口長度為5mm、刀刃數(shù)為2、刀具夾持器直徑為4mm的T型銑刀.加工路徑如圖9.

應用T型銑刀加工渦輪轉(zhuǎn)子時，與粗加工編程方式一致，按照轉(zhuǎn)子設(shè)計尺寸要求，應用三軸平面輪廓銑模式先加工一片葉片，再控制機床A軸帶動轉(zhuǎn)子毛坯旋轉(zhuǎn)適當角度，然后重復前一次加工轉(zhuǎn)子葉片的數(shù)控程序，如此循環(huán)完成對渦輪轉(zhuǎn)子葉片的精加工.

2.3 新型刀具加工數(shù)控編程

由于渦輪轉(zhuǎn)子有六層葉片，每一層葉片加工時的加工方法及數(shù)控編程過程一致，為方便闡述數(shù)控編程過程，簡化討論內(nèi)容，以轉(zhuǎn)子第一層葉片數(shù)控加工程序的編制過程為例對其進行詳細介紹.本文應用UG NX5.0軟件對分子泵渦輪轉(zhuǎn)子進行數(shù)控編程.編程時選用等高曲面輪廓銑加工類型.

根據(jù)上文所述加工設(shè)計方案，確定轉(zhuǎn)子加工程序如表1所示.

表1 轉(zhuǎn)子加工程序列表

加工使用的刀具如表2所示.

表2 轉(zhuǎn)子加工刀具列表

轉(zhuǎn)子各加工工序相關(guān)參數(shù)如表3所示.

表3 轉(zhuǎn)子加工參數(shù)列表

以上文所述加工設(shè)計參數(shù)應用UG對其數(shù)控編程.系統(tǒng)根據(jù)以前設(shè)置所有參數(shù)生產(chǎn)相應刀具軌跡.UG5.0提供驗證刀具軌跡功能，可驗證針對零件幾何體的刀軌是否產(chǎn)生過切、有無剩余材料等.

軟件提供后處理功能，在不考慮具體應用何種機床的前提下生成刀位源文件，提高了數(shù)控編程的靈活性.刀具位置的源文件經(jīng)后處理過程可應用到各種指定數(shù)控機床及加工中心.在后處理設(shè)置界面中可選擇相應的機床類型，導出文件保存的位置以及數(shù)控程序中應用的單位.

2.4 可行性驗證

但由于分子泵整體渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較復雜，葉片較長間距較小，導致加工所應用的刀具直徑小刀桿長.這樣的刀具在加工時可較為精細的對轉(zhuǎn)子毛坯進行銑削加工，但刀桿容易產(chǎn)生變形導致震刀，影響加工效率甚至損壞刀具及轉(zhuǎn)子葉片.針對這一問題做以下驗證.

2.4.1 切削力計算

在實際生產(chǎn)中通常采用經(jīng)驗公式來計算切削力.切削力經(jīng)驗公式是基于大量實驗結(jié)果經(jīng)數(shù)學算法處理，得到的經(jīng)驗性的切削力計算公式.

實際生產(chǎn)中計算切削力的經(jīng)驗公式應用廣發(fā)的是指數(shù)計算公式.由于加工轉(zhuǎn)子時采用側(cè)銑的加工方法，且應用T型銑刀兩軸聯(lián)動在一個平面按加工軌跡運動，可知在加工時只有主切削力導致的刀桿變形垂直于葉片表面，影響加工精度.計算主切削力：

KFz為修正系數(shù)，CFzxFzyFznFz為經(jīng)驗公式相應系數(shù)，其余為加工參數(shù).

查得經(jīng)驗相關(guān)修正系數(shù)并將將已知條件帶入切削力經(jīng)驗公式，可求出主切削力為：

2.4.2 刀具變形計算

T型銑刀高速旋轉(zhuǎn)以側(cè)刃加工轉(zhuǎn)子葉片是一個非常復雜的加工過程，為方便分析重點問題得到想要的最終結(jié)果，可將其加工過程簡化.如圖11所示，刀刃在B點與毛坯材料接觸產(chǎn)生切削力，旋轉(zhuǎn)到A點時切削力在垂直葉片表面方向分力達到最大.刀桿在垂直葉片表面方向的變形是影響加工精度的主要因素，所以應計算刀刃在A點處的切削力垂直葉片方向分力使刀桿的彎曲度.

圖10 刀具切削受力簡圖

圖11 刀具受力簡圖

由設(shè)計參數(shù)可知，切削深度為0.5mm，刀具直徑為5mm，切削力為2.36N.據(jù)此計算可知A點處切削力垂直葉面方向分力為：

根據(jù)刀具加工情況及材料力學知識，可將刀具及切削力簡化成懸臂梁受力模型，如圖12.由上文可知FAZ＝1.4N，L＝60mm，刀具直徑d＝5mm，刀桿材料的彈性模量E＝270GPa，由材料力學彎曲變形積分公式可得刀具變形撓度f為：

其中：

計算得到：

刀具加工時撓度變形為0.0113mm，小于設(shè)計誤差要求的0.020mm，且根據(jù)經(jīng)驗刀具在0.13N切削力的作用下產(chǎn)生0.0113的撓曲變形不會產(chǎn)生震刀現(xiàn)象，綜上所述，上文新型加工方案具有一定可行性.

3 結(jié)束語

針對現(xiàn)有渦輪轉(zhuǎn)子加工方法中，應用錐形球頭銑刀使用點加工方式銑削轉(zhuǎn)子葉片所存在的種種問題，提出并設(shè)計了新型的應用立銑刀粗加工以及應用T型刀精加工的新型加工方法.此方法采用側(cè)銑的加工方式，提高了加工效率、增加了葉片表面光順度并使之更適合自尋位數(shù)控加工新方法加工渦輪轉(zhuǎn)子.基于UG軟件的CAD／CAM模塊，對渦輪轉(zhuǎn)子進行三維建模，并針對此模型應用新型加工方法進行數(shù)控編程，最終經(jīng)后處理得到可用于機床實際加工的數(shù)控程序代碼.

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［3］張云靜，李紅運，姚凌云.UG NX5.0數(shù)控加工［M］.清華大學出版社，2009

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