■江苏金通灵流体机械科技股份有限公司 （南通 226000） 周小康 韩 栋 施健兵 刘云云
摘要：本文针对开式离心整体不锈钢叶轮，提出了一种基于五轴联动分区的高效粗加工方法。首先通过分析叶轮几何结构，提出加工总策略；然后选择合适的整体硬质合金刀具，对叶轮采用分区加工；最后利用VERICUT软件进行模拟仿真。加工结果表明，该方法的效率是普通方法的3倍左右。
三元流不锈钢叶轮相对铝合金叶轮，其加工周期较长，而风机客户要求的交货期却很短。三元流叶轮整体铣制的效率很大程度上依赖于粗加工的效率，通常粗加工跟精加工的时间比例为4:1，若粗加工时间节省一半左右，则整体效率将提高40%，这对于生产企业来说，效益是巨大的：生产率得到提高，同时单个产品内刀具损耗、机床折旧和切削液消耗都得到降低。
对于不锈钢叶轮，传统加工方式是采用刀片式球头刀具、不分区域粗加工，由于是点接触式铣削，通过增加切深和进给来提高效率是有限的。虽然不分区域铣削避免了刀具干涉和撞击，但同时也减少了大直径刀具所能加工到的区域。目前国内外同行都在进行三元流叶轮加工效率的研究，特别是对粗加工的效率进行了许多探索。经过我公司技术人员较长时间的实践，摸索出了一套以带圆角的平底立铣刀、五轴联动分区域粗加工的方法。
下面以我公司的一个实例简述该方案的流程及其关键技术。
图1所示是我公司某型号压缩机的一级叶轮，其材料为17-4P H，这种材料强度大，易粘屑。叶轮直径386mm，叶片数达19片之多，进口叶片高78mm，叶片间距最窄处为6mm左右，深宽比达到13。且叶片扭角很大，约为90°，叶片与轮毂间的倾幅也比较严重，夹角最小为60°左右，形成了一个凹窝，叶片根部采用变圆角设计，这都给加工带来了很大困难。
采用五轴联动分区域粗加工，其关键技术涉及程序中刀轴的角度、干涉性检查、加工参数、刀具的选型、伸出长度和刚性及冷却方式等。
图1 压缩机一级叶轮模型
程序中刀轴的拖刀角度要尽可能为正，这对于减少刀具磨损、延长刀具寿命有很大的好处。特别对于平底刀具，无论是无中心切削刃的刀片式刀具，还是带中心切削刃的整体硬质合金刀具，其中心切削速度都为0，采用拖刀切削方式就显得很重要。
由于是分区域粗加工，在加工一部分区域时，另一部分区域有可能是实体毛坯，在上机床加工前必须进行干涉性检查。在干涉性检查方面，采用独立于CAD/ CAM的第三方模拟软件来检验加工代码较贴合实际，而不能采用CAM加工软件自带的APT模拟功能。
加工参数一般可查刀具样本，但当伸出刀长大于5倍刀具直径时，其转速和进给应做减小处理。
对于17-4PH这种粘性材料，若冷却不到位、不流畅、压力不大，加工时很容易造成排屑不畅、烧刀。所以在加工前，就应将切削液调整到位。
五轴联动分区域粗加工总的加工原则跟不分区域粗加工一样，仍然是大直径刀具加工较宽的区域，小直径刀具加工较窄的区域。并且通过划分，大直径刀具所能加工的区域越大，则效率越高。本例叶轮由于没有分流叶片，故在叶片长度方向分为进口和出口两个部分。
第一步，粗加工出口，跟据本叶轮结构特点，选择使用直径16mm带R角的平底刀铣削出口段，轮毂和叶片都留有一定的余量，程序设置导动面为轮盖曲面或轮毂曲面，注意摆角为拖刀加工方式。由于该程序是分区域粗加工的第一个程序，叶轮进口位置仍是实体毛坯，如果发生碰撞，刀具、机床都会受到很大损失。程序完成后即进行干涉性模拟检查，不断调试程序，直到不干涉为止。程序加工完，切削模型如图2所示，毛坯外的部分为模拟干涉用的刀柄和刀具。因车削形成的实际毛坯料存在一定的加工误差，所以模拟采用的毛坯模型应比理论模型稍大一些，这样模拟出来的结果才具有实际参考价值。
图2 粗加工出口区域模拟效果图
叶轮进口叶片间距变窄，靠近轮毂处间距更窄，采用1把刀具粗加工到底不可能也不合理，本例采用3把刀具粗加工到位。第二步粗加工，铣削进口上层部分，宽度变窄，程序使用直径12mm带R角的平底刀，将该刀具能铣削到的区域都铣削完，注意刀轴角度和下刀位置，调整程序使刀具下刀处在实体毛坯外，确保不扎刀，加工完如图3所示。
接着程序使用直径10mm的平底刀，继续粗加工进口部分，这时由于刀具直径变小，刀具伸出刀柄的长度又加长，当刀具的长径比大于5时，其转速和进给量都要做相应的减小，同时保证刀具在刀柄内的装夹长度足够长，当长度不够时，可定制加长刀具。加工效果如图4所示。
图3 粗加工进口上层区域模拟效果图
图4 粗加工进口中部区域模拟效果图
接下来的程序是整个粗加工过程中的关键部分，也是整体效率能否提升的关键点。该程序使用直径6mm的刀具，若此时再选择平底刀，则刀杆太细，而伸出刀柄长度需85mm左右，刚性较差，故选用半锥角4°的整体硬质合金锥度铣刀。采用中间开槽方式，分若干层逐渐铣削到轮毂侧，而非将每一层完全切除后再铣削下一层。这一程序跟下一程序结合，可以节省很多时间。虽然采用了锥度刀具来增加刚性，但仍需要控制刀具伸出刀柄的长度。在进行模拟干涉检查时，可使用模拟软件帮助计算刀具最小伸出长度，以增加刚性，刀具伸出长度越短，则刚性越好。由于是中间开槽加工，切削液必须流畅、到位且压力足够大，有助于排屑和冷却。模拟加工效果如图5所示，此时实际加工出来的叶轮（见图6）中第一个流道。
这一步完成后，下一步程序仍然使用这把直径6mm的锥度刀，从中间开槽位置往两侧粗铣流道，同时去除中间开槽位置两侧残余，清除叶片根部平底刀残留的毛坯料（也就是清角），这一步程序起到了上述三种作用。在保证刀轴拖刀加工方式的前提下，可采用螺旋形走刀方式，中途不抬刀、不退刀，减少空行程的时间。实践证明这种走刀方式比单一方向切削方式（single direction）又能节省一半的时间。加工效果如图7所示。比较图5和图7，中间开槽两侧的残留毛坯已被清除很多。
图5 进口底部区域中间开槽模拟效果图
图6 进口底部区域中间开槽实际效果图
由于叶轮出口处叶片倾幅最大，虽然经过了粗铣流道时的清角，粗加工第一步直径16mm的平底刀在该凹窝处的残留仍然很多（见图8），故接下来的两个程序使用直径12mm和10mm的平底刀继续对出口进行清角，加工效果如图9、图10所示。
图7 进口底部区域两侧加工模拟效果图
图8 出口残留
图9 φ12mm刀具清角效果图
经过了上述加工步骤，通过模拟软件比较已加工形成的切削毛坯和理论模型，设置比较方式为残留（见图11），发现中间开槽程序在叶片进口处中部狭长带仍残留有2.5mm的余量（见图12）。为防止后续叶片半精加工、精加工切削量过大，应在此时插入粗铣叶片程序，使用球头锥度精加工铣刀消除粗加工造成的叶片余量不均匀现象，加工效果如图13、图14所示。
以上程序在加工时，都将叶片入口的椭圆头让开了，因为粗加工刀具在椭圆头处会发生扭拐，刀轴角度很难调整为拖刀方式。避开椭圆头加工，在最后进行椭圆头插铣，经过我们的实践是可行的，效率上也不会有太大影响。
图10 φ10mm刀具清角效果图
图11 Vericut残留比较设置
图12 Vericut残留比较效果图
粗加工完成后的叶轮实物如图15所示，经过了这些粗加工步骤，后续叶轮轮毂、叶片的半精加工和精加工不会受到任何影响，而且粗加工时间大大缩短，叶轮整体加工效率得到很大提高。
本文论述了影响叶轮五轴联动加工效率的因素，提出了采用带R角平底刀五轴联动分区域粗加工来提高叶轮的加工效率，通过实例阐述了一般加工流程和刀具的选择。
图13 叶片表面第一次加工
图14 叶片表面第二次加工
图15 粗加工实际效果图
结果表明，对于本实例中的叶轮，整个粗加工的时间是22h。对比使用球头刀具不分区域粗加工，其粗加工的时间是本例的3倍左右。本例推荐的加工方法效率可见一斑。相信以后与同行一起交流，不断总结加工方式，确定加工参数，三元流叶轮粗加工的效率一定会取得更大的进步。
参考文献：
[1] 朱华，周小康. 三元流叶轮整体铣制工艺方法及常见问题解析[J]. 风机技术，2011（6）：41-43.
[2] 刘随建，江剑，高见. 叶片切削加工技术发展浅析[J]. 金属加工，2017（7）：1-3.
（收稿日期：20170528）
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