基于精雕系統的七級葉輪加工技術實踐
1. 序言
葉輪是渦輪增壓器最關鍵的零件之一，廣泛應用于航空、船舶、汽車和真空泵等行業的發動機中，其中七級葉片的復雜葉輪是渦輪分子泵內部的核心部件，而渦輪分子泵則廣泛應用于真空鍍膜（PVD）、半導體制造等行業中，這些行業需要在超高真空環境（10-7Pa 以下）中才能工作。
考慮到葉片結構復雜、曲面變化大以及精度高等特點，目前一般采用 Mastercam、PowerMill、UG及CATIA等國外軟件結合五軸聯動機床加工，這些五軸聯動機床一般采用海德漢、西門子等國外高檔數控系統。為打破國外軟件和數控系統在葉輪制造方面的壟斷地位，北京精雕科技集團有限公司（以下簡稱北京精雕）開發了擁有自主產權的 SurfMill 軟件以及北京精雕五軸聯動系統，并采用在線檢測、在線補償功能加工葉輪。
本文采用北京精雕的 SurfMill 軟件造型并采用 JDGR400 五軸聯動精雕機，對七級葉輪的五軸編程、工藝規劃和實際加工進行探討與實踐。
2.七級葉輪結構及加工難點分析
七級葉輪（見圖 1）的基本特點 : 葉片分為7 級，共 249 個葉片，材料為 7075 鋁合金，尺寸f360mm×286mm。該零件上的葉片是由鋁合金整體加工而成，葉片加工完成后整體質量 14kg。
圖 1 七級葉輪
經分析，七級葉輪五軸聯動加工的難點如下。
1）該葉片屬于典型的薄壁件，葉片高度與厚度比＞ 30:1，葉片剛性差，加工時受力易變形，極易產生振動，彈刀過切風險很大。
2）相鄰葉片間距小，導致加工所需刀具最大長徑比為 14:1（見圖 2），加工時刀具的切削剛性差。
圖 2 刀具長徑比示意
3）葉片數量多達 249 個，葉片間距小，每一級之間距離小，刀具和葉片之間的安全距離最小只有 2mm，加工時極易產生干涉，如圖 3 所示。
圖 3 刀具與葉片干涉示意
3.七級葉輪五軸加工工藝規劃
3.1 設備及軟件的選用
葉輪加工設備需要有強大的運算能力，且加工時主軸轉速高、擺動角度范圍大、聯動精度高，本次選用北京精雕的 JDGR400_A15SH 機床，配置在機測量系統、激光對刀儀等設備，并采用北京精雕自有的軟件 SurfMill 進行建模和編程。
3.2 刀具的選用
針對薄壁件，刀具的選擇需要從減小切削力的角度出發，因此選擇角度較大的前角和后角、較大的螺旋角（見圖 4）來減小切削力 ; 刀具結構采用短刃刀具（見圖 5），錐度避空，提升刀具剛性 ; 涂層選用 DLC 涂層，涂層厚 1μm，提高刀具鋒利度，減小切削力，提高刀具壽命及長時間加工時的穩定性。
圖 4 大螺旋角
圖 5 錐度平底短刃刀具
3.3 加工工藝方案
針對長徑比大的難題，為了增加刀具的剛性，在深度上采用多把刀具分段加工的方式，以保證切削剛性，提高加工效率。刀具型號及加工參數見表 1。
表 1 刀具型號及加工參數
3.4 編程加工方案
七級葉輪葉片數量多、間距小，刀具極易產生干涉和過切。為避免在實際加工中出現問題，采用北京精雕的 DT 編程技術，在軟件中實現過切檢查、干涉檢查和機床模擬，在計算機端確保加工程序的安全，從而避免機床實際加工中的過切、干涉和碰撞等問題，如圖 6 所示。
a）刀具與工件干涉示意
b）DT 仿真加工
圖 6 葉輪加工模擬
DT 編程技術最大的特點就是改變原有的調試模式，將原來需要在機床上進行的操作（包括試切加工、人為觀察過切和碰撞，以及機床行程檢測等），全部加載到計算機中進行，減少人員機床上的操作，減輕調試人員的心理壓力，降低調試出錯的成本，縮短產品調試周期。
4. 加工試驗及方案改進
按照規劃的方案進行加工試驗，試制結果見表 2。通過表 2 數據可看出，試制結果不滿足工藝要求，需要優化改進。
表 2 試制結果
4.1 方案優化改進
經分析，需要從 4 個方面進行優化改進 : ①優化加工效率。②改善表面質量。③改進夾持治具。④管控毛坯精度。
1）利用 CAM 軟件優化葉片間連刀高度。第一階段為保證絕對的安全，將葉片之間路徑安全位置設置在 Z 軸原點位置 ; 優化階段依靠 DT 編程技術，將刀具連刀高度抬至葉片最高高度之上30mm，加工時間縮短了 6.5h。
2）優化 T9、T10 刀具有效長度，增加刀具剛性。試制用的 T9、T10 刀具有效長度過長，刀具剛性差，切削參數無法提升，嚴重影響加工效率。依靠 D T 編程技術，精確計算 T9、T10 刀具所需的最短有效長度，從而提升刀具剛性，增加刀具切削用量，將葉輪加工時間縮短了 55min。
3）優化表面質量，縮短人工處理時間。葉輪加工完成后，其葉片銳角邊留下了大量的毛刺，需要手工清理，工作量較大，并且毛刺會影響工件整體動平衡性能，因此在加工時加入去毛刺程序，節省去毛刺的時間。另外，在機測量刀具錐度，減輕不同刀具間的接刀痕，使用激光對刀儀準確測量刀具錐度和直徑，將刀具偏差補償在加工路徑中，確保各刀具間的接刀痕＜ 0.008mm。
4.2 解決動平衡問題
對于產品的批量生產，動平衡振幅能否控制在 5μm 以內是生產的關鍵。目前機床精度、溫度管控都是合格的，針對動平衡偏大問題，經過分析判斷，是治具錐面和毛坯錐面配合誤差較大，使得毛坯安裝后毛坯軸線傾斜引起的。毛坯軸向圓跳動＞ 0.04mm，直接影響葉輪加工后的動平衡。治具夾持如圖 7 所示。
圖 7 治具夾持示意
重新精磨治具，其錐度達到 5° 43′ 9″，毛坯安裝后跳動得到大幅改善，結果見表 3。
表 3 精磨治具后跳動改善結果
4.3 曲面加工方案
葉片曲面根據曲率可分為自由曲面和直紋曲面，自由曲面采用五軸點銑方式加工，直紋曲面采用五軸側銑方式加工，如圖 8 所示。
圖 8 曲面加工方式示意
在 SurfMill 中建模和編程。分層粗加工如圖9 所示，流道精加工如圖 10 所示。
圖 9 分層粗加工
圖 10 流道精加工
4.4 改進后的實際加工驗證
利用 DT 技術和軟件編程，優化了刀路和加工程序，避免了干涉，消除了動平衡，提高了加工效率，同時零件的加工質量得到提升。加工后的零件如圖 11 所示，經檢測，達到了葉輪尺寸精度和表面粗糙度的要求。
圖 11 加工后的七級葉輪
5. 結束語
本文在分析七級葉輪結構特點和加工難點的基礎上，對機床選用、刀具選擇、工藝修正以及治具改進等做了深入分析。為提高效率，避免干涉，采用北京精雕特有的 DT 技術進行模擬校正，并通過試件的研制，優化一系列工藝參數，最后在北京精雕五軸聯動機床上完成七級葉輪的加工，加工精度、表面粗糙度以及動平衡等都符合要求，給類似的葉輪及復雜零件的加工提供了參考。
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