(西華大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610039)

·機電工程·

鈦合金整體閉式葉輪五軸高速加工工藝試驗研究

匡 榮，尹 洋*，蔣君榮

(西華大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610039)

鈦合金整體閉式葉輪是一個難于加工的復(fù)雜零件。結(jié)合工廠鈦合金整體閉式葉輪的研制加工過程，借助MIKRON HSM400U五軸高速機床，提出一套鈦合金整體閉式葉輪的五軸高速加工工藝方案，充分利用Hyper MILL的五軸加工模塊進行刀路設(shè)計，實現(xiàn)了葉輪的五軸高速加工。試驗結(jié)果表明，該方案保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，提高了加工效率。以上分析和實驗結(jié)果對類似零件的加工工藝的制訂具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。

五軸加工；整體閉式葉輪；Hyper MILL；加工工藝

鈦合金閉式葉輪的加工一直是機械加工的難點。其材料強度高[1]，導(dǎo)熱性差，彈性模量小，化學(xué)活性高；葉輪零件外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度、工藝性能以及機床要求高。針對這一類復(fù)雜曲面零件的加工，成熟的五軸高速加工機床技術(shù)、高速切削刀具和高速切削技術(shù)提供了硬件支持[2]。在實際加工中，產(chǎn)品的質(zhì)量和工效與加工工藝息息相關(guān)；因此，研究出合理的葉輪加工工藝，選擇優(yōu)良的機床和刀具才能更好地指導(dǎo)葉輪加工生產(chǎn)。

1 葉輪建模

建模是加工的基礎(chǔ)，建模質(zhì)量直接影響后續(xù)的編程準確性和零件的加工質(zhì)量。本文研究的鈦合金整體閉式葉輪是借助三次B樣條曲線的反推求控制點的方法，利用大型的建模軟件PRO/E5.0實現(xiàn)其建模。其模型如圖1、2所示。

圖1 葉片和流道面

圖2 葉輪模型

2 葉輪加工準備

2.1機床選擇

針對研究對象的材料鈦合金以及閉式葉輪形狀和尺寸的復(fù)雜，這里選擇五軸高速數(shù)控機床MIKRON HSM400U作為加工機床。它的五軸是X，Y，Z3個直線軸和B軸、C軸(繞Y，Z旋轉(zhuǎn))。其主要參數(shù)見表1、2所示。MIKRON HSM400U 的操作系統(tǒng)是HEIDENHAIN iTNC530，iTNC530 的運算能力非常強大，控制軸數(shù)最多可以達到 12，機床反映快，具有良好的加減速性能。

表1 工作范圍參數(shù)

表2 驅(qū)動進給參數(shù)

2.2刀具選擇

高速切削刀具是高速切削技術(shù)得以實現(xiàn)的關(guān)鍵之一。在葉輪的加工中，選擇刀具時應(yīng)考慮毛坯材料、機床、允許的切削用量、剛度和耐用度、精度要求、加工階段等因素[3]。每種工件材料都有最適合的刀具材料與之相匹配[4]。針對本工件材料鈦合金TC4(即Ti-6Al-4V)，最合適的刀具材料為PCD和涂層硬質(zhì)合金，但PCD成本太高；綜合加工精度和經(jīng)濟效益考慮，此處選擇 YG 類硬質(zhì)合金涂層刀具。該刀具具有較小的前角(一般r0≤10°，本次加工取r0≤6°)[5]，較大的后角(α0≥15°)以及較小的主偏角(kr≤45°)，以減小刀-屑接觸長度，減小刀具后刀面的摩擦，增加刀尖的散熱能力。選擇的刀具如圖3所示，SCHAUBLIN高速加工刀柄和Fraisa應(yīng)用于鈦合金高速切削加工的球頭銑刀。

圖3 SCHAUBLIN刀柄和Fraisa 刀具

2.3夾具選擇

夾具的設(shè)計要考慮多方面的因素，既要保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量(包括重復(fù)裝夾定位精度，夾緊和松開后盡量不要有變形)，又要方便裝夾，節(jié)約裝夾輔助時間，盡可能地提高加工效率。結(jié)合本次加工的零件特點和機床特性，本工序夾具如圖4、5所示。該夾具中的螺桿為定位螺桿，下部作為短銷，用螺母夾緊工件。工裝利用大端面加短銷限制5個自由度，鍵限制Z軸旋轉(zhuǎn)自由度，屬于完全定位。

圖4 夾具圖

圖5 夾具裝配圖

2.4本工藝所用的CAM軟件

本工藝采用的HyperMILL是一款專門解決2.5～5軸加工的大型專業(yè)多軸CAM軟件。五軸加工是它最大優(yōu)勢和特色，不僅有五軸加工的通用模塊如“5X 曲面循環(huán)”，還針對某些復(fù)雜零件設(shè)計了專門的加工模塊，如葉輪加工模塊“5X葉輪循環(huán)”等等。編程界面人性化智能化，刀具避讓策略出色。刀路的生成靈活簡便，編程人員只需設(shè)置基本切削角度，HyperMILL就會自動傾斜角度處理干涉，生成簡捷的刀具路徑CL文件(CL-Cutter Location 文件)。它有智能刀路產(chǎn)生方式和手動控制方式[6]，智能方式只需要設(shè)置B軸擺角、自動避讓的B軸傾擺范圍和機床擺動角度限制，其余由計算機計算完成，而手動控制方式則是操作者把自己希望控制的部分進行手動設(shè)置。這大大提高了編程和加工的效率，使其被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜零件的生產(chǎn)加工中。

3 葉輪的五軸加工試驗及分析

3.1加工難點及應(yīng)對策略

加工主要有2大難點。1)材料特性導(dǎo)致的加工困難(材料切削困難)。TC4 的導(dǎo)熱率極低，大約為鋼的1/5，在加工過程中熱量不易散出，導(dǎo)致切削溫度急劇上升，很容易使刀具因急劇磨損而失去切削能力，加上其彈性模量低，加工時回彈極易使工件的加工尺寸超差。2)零件形狀復(fù)雜，空間狹小，下刀困難。

要解決材料特性的難點，除了前面所說的選擇優(yōu)良的刀具外，還要選擇優(yōu)良的冷卻潤滑方式。鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)極低，加工過程不宜使用干切削，也不宜用大量冷卻液。綜合分析，采用準干切削(NDM-Near dry machining)中的微量潤滑冷卻技術(shù)[7](MQL, minimal quantity lubrication)。微量冷卻不但能使刀具的壽命延長，也能獲得較高的表面光潔度，使切削加工能夠順利高效的進行。采用切削力小，進刀方式靈活的五軸高速加工就能輕松地解決工件形狀復(fù)雜導(dǎo)致的難題。

3.2五軸加工的工藝參數(shù)

鈦合金葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，曲面多，葉輪的葉片太薄，吃刀量過大容易造成葉片的變形與斷裂，太小又嚴重影響加工效率；切削速度太慢容易造成表面擠壓變形，過快又容易造成表面的顫紋；進給速度太快容易造成表面應(yīng)力過大，太慢則達不到加工的目的[8]：因此，選用五軸高速機床進行銑削加工時，加工工序分為粗加工、半精加工和精加工 3道工序。

1)粗加工。由于粗加工主要是以去除材料為主，基本都是滿刀切削，所以切削速度不能太高。切削用量一般按照ap(背吃刀量)—f(進給量)—v(切削速度)的順序選擇。此處需要為后續(xù)加工留余量，考慮粗加工表面粗糙度較大，尺寸精度不會太高，粗定單邊留 0.5 mm加工余量。由切削速度和進給速度的關(guān)系

f=fz×z×n，

(1)

vc=2πrn/1 000，

(2)

可得

f=1 000vcfzz/2πr。

(3)

式中：f是每分鐘進給率，mm/min；fz是每齒進給率；z是銑刀齒數(shù)；n是主軸轉(zhuǎn)速，r/min；r是刀具半徑，mm；vc是切削速度，m/min。根據(jù)《機械加工工藝手冊》，結(jié)合實際加工經(jīng)驗，粗取ap=1 mm，f=300 mm/min(fz=0.029 mm)，vc≈100 m/min(取n=2 600 r/min)。刀具直徑為12 mm，圓弧角為3 mm的圓鼻刀，懸伸48 mm(粗定為刀具的4倍徑)。實際加工時噪聲大，加工面震紋較深，因此改變變量ap=0.5 mm，f=200 mm/min(fz≈0.027 mm)，vc=70 m/min(n=1850 r/min)，刀具懸伸縮致43 mm(刀具最短直徑要求42 mm)。再次加工時，其效果良好，符合要求。

2)半精加工。半精加工繼續(xù)去除材料，修正工件形狀尺寸，提高加工面的加工精度，為精加工做準備。半精加工尺寸精度較高，給下一階段的精加工留單邊0.05 mm的加工余量，因此選用φ10、R5的球頭銑刀，加工參數(shù)取vc=180 m/min(轉(zhuǎn)速取整n=6 000 r/min)，ap=0.2 mm，f=600 mm/min(fz≈0.025 mm)，刀具懸伸43 mm，其加工結(jié)果良好。

3)精加工。精加工階段既要保證零件的尺寸精度又要保證加工面的表面精度，不再留加工余量。此階段一般按照v—f—ap的順序選擇，選用φ6、R3的球頭銑刀，考慮到刀具懸伸已縮致43 mm(超過刀具的7倍徑)，加工參數(shù)取vc=150 m/min(轉(zhuǎn)速取整n=8 000 r/min)，ap=0.05 mm，f=400 mm/min(fz≈0.0125 mm)，刀具懸伸43 mm，其加工結(jié)果良好，滿足要求。

3.3葉輪五軸加工的實現(xiàn)

對于任何CAM軟件，都必須結(jié)合葉片各張曲面的特點，根據(jù)用戶的工藝參數(shù)進行合理的刀路軌跡規(guī)劃和計算，生成最優(yōu)化的刀具軌跡、三維加工動態(tài)模擬以及后置處理,這是在保證加工質(zhì)量要求的前提下高效加工出零件的關(guān)鍵之一[9-10]。在五軸高速機床上用Hyper MILL軟件進行葉輪的加工，需要4個步驟完成：建立加工工單、確定進刀方式、生成NC程序、對刀路軌跡的干涉檢查。

1)建立加工工單。根據(jù)前面所述的工藝設(shè)計要求，在機床上實現(xiàn)加工時應(yīng)先建立加工工單列表，包括粗加工、半精加工、精加工3個具體的加工工單，建立的工單應(yīng)與前面給出的工藝參數(shù)相符。具體步驟是把用Pro/E建立的模型導(dǎo)入Hyper MILL，先用三軸加工生成刀位文件CL(Cutter-Location)，然后用五軸再加工進行處理。工單編制界面如圖6所示。

圖6 工單編制界面

2)確定進刀方式。由于閉式葉輪的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輪蓋、輪轂與葉片一起整體加工成型，前后都有蓋板，所以只能從進氣口和出氣口進刀，如圖7所示。

圖7 進刀方式

3)生成NC程序。要生成完整的NC程序，必須先完成Hyper MILL后置處理器的設(shè)置，即要完成工單類表的后處理設(shè)置，如設(shè)定處理模式(單個模式或打包模式)、機床型號與后處理器等等。完成以上設(shè)置后，只需要結(jié)合生成的刀位文件，選中需要生成程序的工單，點擊生成NC程序即可。

4)刀路軌跡的干涉檢查。規(guī)劃連續(xù)完好的刀路，經(jīng)過后置處理轉(zhuǎn)換為數(shù)控加工程序以后，有可能打破了刀具路徑規(guī)劃時刀具運動的連續(xù)性；因此在加工前必須進行干涉檢查，以減少不必要的損失。Hyper MILL的五軸加工采用智能刀軸自動避讓技術(shù)，不僅具有豐富的刀軌策略、刀具避讓和防過切功能，還專門開發(fā)了一套干涉檢查方法，保證整個刀具系統(tǒng)的所有組成部分與零件不發(fā)生任何干涉，進而保證所有加工功能的安全，進行無干涉加工，甚至在一些“危險”區(qū)域也能保證安全和無干涉。圖8為干涉檢查界面，在該界面中，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)(刀柄間距、主軸間距、自動避讓距離)，就能對整個切削系統(tǒng)進行干涉檢查。圖9為經(jīng)過干涉檢查后的零件模擬加工示意圖。

圖8 干涉檢查界面

圖9 切削加工實體模擬圖

3.4葉輪加工試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上設(shè)計的工藝，加工出零件成品，連續(xù)取15件零件成品部分關(guān)鍵尺寸，對本工藝的工序過程能力進行分析。其中尺寸1為中心孔大小，尺寸2為前后蓋板的間距，尺寸3為流道面大端面與其中心孔的同軸度，尺寸4為流道面的光潔度。尺寸數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 零件尺寸數(shù)據(jù)

工序能力是在各種加工條件處于穩(wěn)定狀態(tài)下生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的能力[11]，用工序能力指數(shù)Cp表示，Cp越大表示工序能力越強。工序過程能力即是實際加工能力，它強調(diào)整個加工過程的質(zhì)量穩(wěn)定性，用過程能力指數(shù)Cpk表示，Cpk越大加工過程越穩(wěn)定。一般加工產(chǎn)品的分布中心和公差中心都會存在誤差，當它們重合時，Cp=Cpk。在實際加工過程中，一般都用工序的過程能力來表示加工過程的穩(wěn)定性，即用Cpk來衡量工序過程能力的等級。Cpk值的計算與所選產(chǎn)品取樣參數(shù)相關(guān)。相關(guān)計算為：

T=USL-LSL；

(4)

U=(USL+LSL)/2；

(5)

Ca=(X-U)/(T/2)；

(6)

Cp=T/6σ；

(7)

(8)

式中：Ca為工序能力準確度；X為取樣數(shù)據(jù)的平均值；T為取樣公差；U為取樣中心值；USL為取樣上限；LSL取樣下限；σ是取樣標準差。

Cpk一般分6級。1)A++級，Cpk≥2.0，特優(yōu)，可考慮降低成本。2)A+級，1.67≤Cpk<2.0，優(yōu)，應(yīng)保持。3)A級，1.33≤Cpk<1.67，良，狀態(tài)穩(wěn)定，應(yīng)盡力提升到A+級。4)B級，1.0≤Cpk<1.33，一般，狀態(tài)不穩(wěn)定，應(yīng)盡力提升到A級甚至A+級。5)C級，0.67≤Cpk<1.0，差，工序能力嚴重不足，必須提高工序能力。6)D級，Cpk<0.67，不可接受，必須重新考慮設(shè)計工序方案。

根據(jù)式(4)—(8)將“尺寸1”“尺寸2”“尺寸3”和“尺寸4”的數(shù)據(jù)輸入Cpk計算表格分別計算出相應(yīng)的Cpk值，分析本工序過程能力，同時畫出其分布規(guī)律直方圖。圖10是“尺寸1”的計算過程和直方圖，同理可以求出其余尺寸的Cpk值以及直方圖，Cpk值如表4所示。

圖10 Cpk計算圖和直方圖

表4Cpk值分布

尺寸組Cpk尺寸11．866尺寸21．738尺寸31．767尺寸41．834

從上面的分析可知，所選取的全部關(guān)鍵尺寸的Cpk值均在1.67～2.0之間，表示本加工工藝的工序過程能力優(yōu)良，能保證產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

4 結(jié)論

本文以整體閉式葉輪為例，在分析研究鈦合金的特性的基礎(chǔ)上，探討了五軸高速切削技術(shù)在鈦合金加工中的應(yīng)用，設(shè)計和編制鈦合金閉式葉輪加工工藝，包括刀具系統(tǒng)的選擇、切削參數(shù)的確定和優(yōu)化、工裝夾具的設(shè)計、冷卻系統(tǒng)和冷卻方式的選擇等。通過試驗驗證了加工工藝的正確性和可行性。

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(編校：饒莉)

AnExperimentalStudyonFive-axisHighSpeedProcessingTechnologyofTitaniumAlloyIntegralShroudedImpeller

KUANG Rong, YIN Yang*, JIANG Jun-rong

(SchoolofMechanicalEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

Titanium alloy integral shrouded impeller is a kind of complex part which is difficult to cut. According to the impeller characteristics , the processing technology solutions of titanium alloy five-axis high-speed processing is put forward. It is to develop and optimize with example of MIKRON HSM400U five-axis high-speed machine tools. five-axis processing modules of Hyper MILL are fully used to design the cutting path and the five-axis high-speed processing of impeller is performed. The experiment results show that above process programs guarantee the quality of products and improve the efficiency of machining. The analysis and experiment results are useful and valuable for the establishment of this kind of part’s processing technology.

five-axis machining; integral shrouded impeller; Hyper MILL; processing technology

2014-04-13

國家自然科學(xué)基金(51305357)；西華大學(xué)重點科研項目(Z1220218)。

：尹洋(1971—)，女，教授，博士，主要研究方向為CAD/CAM/CAE技術(shù)。E-mail:yinyang@mail.xhu.edu.cn

TH164

：A

：1673-159X(2015)03-0021-05

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.03.005

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