D40整体铝合金叶轮叶片关键加工技术研究

欧阳陵江，唐　琴，张　剑（湖南工业职业技术学院机械工程系，湖南长沙，410208）



D40整体铝合金叶轮叶片关键加工技术研究

欧阳陵江，唐琴，张剑
（湖南工业职业技术学院机械工程系，湖南长沙，410208）

［摘要］针对整体铝合金叶片在加工中容易出现变形的问题，分析了产生加工变形的原因，总结出了一套从曲面编辑到工艺设计的全方面叶片加工变形控制方法。实际加工证明，此方法有效，能够满足实际需要。

［关键词］薄壁叶片；曲面编辑；变形控制

D40整体铝合金叶轮是高速气浮主轴的关键部件，叶轮尺寸小，形状复杂，表面质量要求高，加工难度大。尤其是叶轮叶片高度12mm，叶片厚度仅1mm，加工过程中很容易发生加工变形、加工震纹、曲面失真等问题，从而使加工无法达到设计要求。叶片一旦变形，将影响气浮主轴的气动性能，而叶片之间的一致性差会影响气浮主轴的动平衡性能，进而使气浮主轴的使用寿命和可靠性降低。本文作者在叶轮加工过程中通过不断探索、改进、总结与完善，最终得到了合格产品，解决了相关加工技术难题。

1　叶片曲面质量对加工的影响与解决方法

1.1叶片曲面质量与叶片加工的关联。

整体叶轮加工一般由五轴数控机床通过五轴联动的加工方式进行切削。叶片曲面在编程中需要负责刀具切削切触点点位和刀具轴向控制等信息输出。如果叶片在数字建模的过程中出现曲面不光顺现象，将导致加工过程中刀轴出现剧烈摆动，造成叶片加工质 量不一致甚至出现过切现象。图1所示曲面对刀轴摆动的影响。

1.2叶片曲面的光顺处理。

如同搭建房屋，房屋的建立需要框架，框架如果出了问题，则房子也会倾覆。曲面的构建基础在于曲线，曲线是控制叶片轮廓和保证曲面质量的重要要素，控制曲线的质量是保证曲面质量的前提。曲线质量的保证要遵循以下原则：（1）构建曲面的曲线要尽可能的少。（2）曲线的曲率要尽可能的平缓，不能出现大的波动。如图2所示，没有调整前的曲线出现了曲率突变现象，通过调整后的曲线曲率变化则趋平缓，这有利于得到光顺的曲面。

图2　曲线曲率调整对比

（3）在曲线的结合部，要保证使用G2连续。

给定两条曲线

如果在x=xt处

1）fa(xt)=fb(xt)，则这两条曲线G0连续。

2）dfa(xt)/dt=dfb(xt)/dt（ 一阶导数），则这两条曲线

G1连续。

3）d2fa(xt)/dt^2=d2fb(xt)/dt^2（二阶导数），则这两条曲线G2连续。

如图3所示构建叶片曲线的三段曲线在保证G2连续后的曲率变化。

图3　曲线的G2连续

图4　反射条纹法检查叶片曲面

曲面构建后需要进行必要的检查，使用高斯曲率法和反射条纹即斑马纹法检查曲面。在使用高斯曲率法时要保证曲面上的光色分布均匀，曲率变化柔和且过渡平滑。在使用反射条纹法检查时要保证反射条纹清晰流畅、分布均匀无突变，尤其是无锯齿状突起，如图4所示叶片曲面叶片通过反射条纹法检测。通过检查合格的曲面即是高质量的曲面，可以用于数控编程。

2　工艺系统对叶片加工的影响与解决方法

2.1工艺系统与叶片变形的关联。

工艺系统指由工件、刀具、夹具、机床所构成的加工体系。它影响叶片形变的主要因素是切削力和受力震动。切削力导致受力变形的原因是：叶片是薄壁零件且铝合金弹性模量为72GPa,是钢的三分之一，在切削力的作用下会产生较大的变形和弹性恢复，这样刀具就无法精确地去处余量，使叶片的轮廓失真。受力震动导致叶片形变的原因是：叶片具有长悬臂、低刚性特征，加工时会产生受力震动现象，这样也会使叶片变形，并且震动会导致刀具在叶片加工表面形成加工震纹从而降低叶片表面质量，也会使刀具快速磨损，使叶片表面一致性变差，而磨损导致频繁的换刀又将加剧这一趋势。

2.2叶片变形控制技术。

叶片变形的控制主要是控制切削力和加工应力导致的变形。

（1）加工应力的处理。整体叶轮切削余量大，大概每个整体叶轮完成切削后要去除70%以上的材料，大余料切削残留的切削应力要在精加工前得到去除，具体方法是在粗加工和半精加工之间加入热处理工艺。

（2）切削力的控制。切削力的控制要在数控加工工艺上采取措施。首先要控制加工的轴向切削深度和径向切削宽度，以减低切削力。要实现这样的加工方法就必须采用高速铣加工工艺，即大幅度提高加工线速度和切削进给，将切削深度和宽度控制在刀具直径的1/50左右。提高切削线速度的额外效益是可以避开加工系统的固有频率，可以抑制震动的产生。

其次是降低精加工的切削量并且保证精加工时的加工余量均匀。处理方法是，增加加工工步，在粗加工后增加二次开粗工步，在精加工前增加半精加工工步。二次开粗可以有效的去除开粗加工中残留的过多余料减轻半精加工刀具切削力，而使用精加工相同的刀具完成半精加工可以给精加工留下均匀无差别的余料，可以避免因切削力突变导致的震动。另外在精加工中对切削参数进行准确控制也能很好地控制震动并且得到光顺曲面，实验表明当刀具切削间距、刀具每齿切削量及精加工余量三个加工参数取相等值的时候，叶片曲面可以得到均匀的表面切痕，同时在两个切削方向上因为受力一致也能有效减轻震动。如图5所示，三个切削要素统一后完成的加工曲面在放大100倍后刀具切削痕迹显得整齐、细腻。

图5　放大后的叶片表面切痕

图6　混合分层刀路

最后是采用混合层切法提高精加工时叶片的刚性。所谓混合层切，就是把半精加工和精加工按层高轮流加工。刀轨设计时将叶片按长度方向分为若干层，使用不同的半精和精加工刀具轮流切削，如图6所示。这种刀轨设计方式可以在精加工时获得足够的叶片刚性，减轻变形和震动，提高叶片轮廓精度和表面质量。

3　结论

通过铝合金整体叶轮长期的加工和研究，对叶轮加工各个环节可能造成的加工影响都进行了分析和探索，总结出了一套行之有效的叶片加工方法。积累了产品造型切削参数设置、刀具选型、工件定位等一系列数据和经验，提高了从制造全局来分析问题和解决问题的能力。

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Research on Key Technology of D40 Integral Aluminum Alloy Impeller Blades

OUYANGLing- jiang,TANGQin,ZHANGJiang
(Hunan industrypolytechnic,Changsha410082,Hunan)

［Abstract］Aimingat solvingthe easydeformation ofintegral aluminumalloyblades in machiningoperations, this paper analyzes the reasons of processing deformation and summarizes the controlling methods of surface edit and technological design. The practical processingapproves that the methods are efficient and can satisfythe practical requirement.

［Key words］thin- walled blades；surface edit；deformation control

［作者简介］欧阳凌江（1979-），男，湖南江华人，湖南工业职业技术学院讲师，研究方向：机械设计与制造。

［基金项目］湖南省高等学校研究项目基金“气浮主轴涡轮数控加工技术的研究”（项目编号：12C1031）。

［收稿日期］2015- 4- 21

［中图分类号］V260.6

［文献标识码］A

［文章编号］1671- 5004（2015）03-0004-02