基于五轴万能复合加工中心的叶轮加工工艺方案

陈　雪，张立伟

(1.包头职业技术学院 数控技术系，内蒙古 包头 014030；2.德马吉森精机床贸易有限公司 技术部，北京 100000)

基于五轴万能复合加工中心的叶轮加工工艺方案

陈雪1，张立伟2

(1.包头职业技术学院 数控技术系，内蒙古 包头 014030；2.德马吉森精机床贸易有限公司 技术部，北京 100000)

摘要：根据叶轮零件的结构特点，选择在五轴万能复合加工中心DMU 125 FD duoBLOCK上进行加工，利用A-C旋转轴功能，来满足该类回转复杂曲面零件的加工要求。提出了叶轮型面可行的工装方案以及合理的加工工艺方案。实践证明，该方法可行有效，不仅满足了叶轮型面的精度要求，而且提高了生产效率，成功实现了高速、高精度和高效率的加工。

关键词：叶轮；工艺方案；五轴铣削

叶轮类零件在军工、冶金、石化和矿山等许多行业中广泛应用，如风机、汽轮机等[1]。在汽轮机的工作过程中，叶轮是一个非常重要的部件，其质量的好坏直接影响汽轮机的使用性能。叶轮的结构比较复杂，尺寸精度高，外形轮廓度要求高；另外，对于叶轮的动平衡也有特殊要求。为了保证叶轮的整体精度，采用了一些可行的关于加工叶轮工装及加工的工艺方案。经过试生产，叶轮各项质量均达到设计要求，成功生产出了符合要求的叶轮，并降低了生产成本。

图1　叶轮零件图

1叶轮的加工设备与工装方案

叶轮零件图如图1所示。已知该叶轮零件的材质为1Cr12Ni2MoWVNbN，硬度为40～45 HRC，毛坯为精密铸造。图1中叶轮完整型面为本次机械加工部位，最大的加工难点是变形问题。由于叶轮是开式结构，工件刚度小，叶片厚度又太薄，导致工件极易变形；同时，由于叶片数量是奇数(19片)，不仅给定位夹紧及测量造成了一定的困难，同时也使加工后的工件更易变形[2]。

德马吉生产的五轴万能复合加工中心DMU 125 FD duoBLOCK(见图2)具有X、Y、Z等3个移动坐标轴和2个旋转坐标轴(A、C)，最大的优势在于五轴可以联动。对于加工零件来说，合成运动可使刀具在五轴的空间内任意控制，保证了切削曲面可加工到位，并避免了刀具对工件的误切削。与三轴、四轴加工中心相比，其具有更广的工艺范围，能以更高的加工精度和更好的加工质量进行叶轮型面的完整加工，特别适宜于大型复杂曲面零件的加工[3]。加工中心如图2所示，其技术参数见表1。

图2　加工中心DMU 125 FD duoBLOCK

机床型号行程/mmX轴Y轴Z轴主轴功率/kW主轴转速/r·min-1X/Y/Z向快移速度/m·min-1刀库容量/把NC回转工作台转速/r·min-1铣车工作台转速/r·min-1转台直径/mm工作台最大承重/kgDMU125FDduoBLOCK125010001000400～10000604090020～5005002300

在叶轮零件的加工过程中，为满足加工需求，应使用专用夹具进行装夹[4]。叶轮专用夹具图如图3所示，该工序零件的装夹示意图如图4所示。设计时以定位盘的圆柱面和φ382 mm圆柱的上表面为定位面，限制工件的5个自由度(分别是X、Y轴的移动和转动以及Z轴的移动)，再用圆端盖、螺杆及带肩螺母夹紧工件，限制工件Z方向的转动自由度。

图3　叶轮夹具图

图4　零件的装夹示意图

2叶轮型面的加工工艺方案

2.1加工工艺参数

五轴联动车铣复合加工中心铣削加工叶轮型面的加工工艺方案由如下工序组成：精加工叶轮外轮廓→开槽粗加工→二次粗加工→清根去除叶片与流道转接圆角余量→二次清根去除叶片与流道转接圆角余量→叶片及流道的半精加工→叶片曲面精加工→流道精加工→叶片圆角精加工。

叶轮型面加工工艺方案见表2，工艺参数见表3。

表2　叶轮型面加工工艺方案

表3　叶轮型面加工工艺参数

图5　叶片精加工　　　　　　图6　圆角精加工

2.2刀具类型

在叶轮型面加工过程中，所用刀具类型有外圆车刀、圆鼻铣刀、球头刀和锥度球头刀。刀具参数见表4。

表4　刀具类型

3结语

采用德马吉生产的五轴联动万能复合加工中心DMU 125 FD duoBLOCK，并选择A-C轴结构，非常适合该类回转复杂曲面零件的加工。工件材质为1Cr12Ni2MoWVNbN，硬度为40～45 HRC，在汽轮机行业内属于较常用高温不锈钢，其综合力学性能非常好；但同时也给加工带来了很大的困难。加工的刀具线速度多采用vc=20～60 m/min，每齿切削量为0.03～0.18 mm，可以比较好地加工该零件，最终加工表面粗糙度Ra为1.6 μm。经实践证明，该种加工工艺高效可行，不仅满足了叶轮型面的精度要求，而且提高了生产效率，降低了加工成本，成功实现了高速、高精度和高效率的多轴加工。

参考文献

[1] 顾雪艳. 数控加工编程操作技巧与禁忌[M].北京:机械工业出版社，2007.

[2] 金娥，代建春.不锈钢叶轮加工工艺的改进[J].机械工程师，2008(9)：160.

[3] 曾豪华.基于UGNX6.0的整体叶轮加工工艺及数控编程[J].机械工程师，2011(8)：72-74.

[4] 刘艳申.基于CAXA制造工程师2013的五轴叶轮加工[J].新技术新工艺，2014(12):3-6.

责任编辑郑练

Processing Scheme of the Impeller based on the Five-axis Universal Compound Machining Center

CHEN Xue1, ZHANG Liwei2

(1.Numerical Control Department of Baotou Vocational & Technical College, Baotou 014030, China;

2.DMG Bed Mori Seiki Trading Co., Ltd., Technical Department, Beijing 100000, China)

Abstract：According to the structure of impeller parts, consider the processing in the five-axis shaft universal compound machining center DMU 125 FD duoBLOCK using the A-C axis of rotation function to meet this kind of rotary and complex curved surface parts requirement. And put forward the feasible impeller type surface tooling plan and the reasonable processing technology scheme. From the practice, this method is feasible and efficient, not only to meets the requirement of the accuracy of the impeller type, but also improves the production efficiency, and successfully realize the processing in high speed, high precision and high efficiency.

Key words:impeller, process planning, five-axis milling

收稿日期：2015-03-26

作者简介：陈雪(1982-)，女，讲师，工程硕士，主要从事数控技术专业教学和科研等方面的工作。

中图分类号：TH 162+.1

文献标志码:B