模具用叶轮的加工工艺分析

模具用叶轮的加工工艺分析
摘要：文章对模具用叶轮进行了五轴数控加工工艺分析，并从加工工艺方面为该叶轮的加工设置了加工工艺路线，然后从实际加工和使用HYPERMILL 软件对叶轮的叶片及流道面的加工过程中所遇到的实际问题进行分析。

详细介绍了加工工艺路线中半精加工部分存在的问题和该部分问题的重要性。

为叶轮加工工艺路线的实用性提供了实际加工依据。

关键词：叶轮；HYPERMILL；工艺分析
目前整体叶轮加工一般多使用电火花加工、铸造加工、电解加工及数控机床铣削等加工方法，铸造加工出整体叶轮的成本较低，更适合少品种大批量的生产。

本文中所用于加工的叶轮是为生产叶轮的模具而制造的叶轮母轮。

该母轮被加工完成后，用于加工出硅胶模叶轮，进而再制造出生产产品叶轮的石膏注塑模具，最后使用模具生产出产品叶轮。

1 整体叶轮结构的工艺分析
在本所用实例中，需要对整体叶轮的流道部分、叶片表面和过渡圆角位置主要曲面进行加工，如图1所示。

并且，在叶片之间的流道部分有大量的多余材料需要去除。

为了使叶轮满足气动性的要求，叶片常采用大扭角、根部变圆角的结构，这给叶轮的加工提出了更高的要求。

根据本例具体情况下面介绍其加工难点。

①要加工的流道变窄，叶片相对较薄且较长，刚度不高，属于薄壁类零件，加工过程中容易发生变形。

②流道最窄处叶片深度尺寸超过刀具直径的8倍以上，而相邻叶片切削空间极小，在加工过渡圆弧时刀具直径较小，容易使刀具折断，切削深度的设置也是加工中的关键技术。

③本文中整体叶轮叶片曲面为自由曲面，流道较窄，叶片扭曲严重，并且有后仰趋势，加工时易产生刀具干涉，加工难度大。

此叶轮由于有分流叶片，为了避免刀具干涉，要分段对曲面加工，因此，保证加工表面精度一致性也是难点。

2 叶轮的加工阶段划分的工艺分析
2.1 对毛坯进行基准面的车削加工
由于用于整体叶轮加工的材料多为圆柱棒料，由棒料加工到叶轮外形毛坯会有大量余量需要切除。

而粗加工是为了是最快速的切除整体叶轮各个表面的大量多余的材料，加工出叶轮的过渡毛坯和叶轮基本形状。

如果直接使用五轴机床和球头刀来铣削需要大量的时间，加工效率极低。

所以使用普通数控车床可以轻松
完成对余量的加工。

2.2 在加工叶轮的同一台五轴机床上完成毛坯的外形
精加工
由于在叶轮的加工外形精度要求中，对如图1中所示的三部分圆柱面的同轴度要求非常高，而经过车床加工的叶轮过渡毛坯又需要再次装夹到五轴机床上，会产生装夹误差，难以保证同轴度的要求。

因此，需要在粗加工毛坯之后留下余量，另外在加工叶轮用机床上对叶轮过渡毛坯进行精加工，使毛坯的所有外形曲面一次加工成型，以保证同轴度要求。

2.3 叶轮流道的两次粗加工
由于本文中所用叶轮有分流叶片，而且叶片曲率较大，主叶片与分流叶片间距较小，所以对刀具直径要求较高。

在最初的对流道粗加工的试加工中使用R1A3的球头刀进行一次完整加工，使用HYPERMILL软件建立的刀路轨迹如图2A所示，从图中可看出刀路轨迹密集，切削层深度小，加工中时间需求较长，加工效率低。

因此，改用R1.5A3球头刀进行一次完整流道粗加工，但由于分流叶片、叶片曲率和刀具直径过大的问题，HYPERMILL软件在计算刀路轨迹时产生了干涉报警，如图2B所示。

在解决了干涉问题后，又出现了无法一次完整粗加工的情况，如图2C所示。

于是改进了工艺路线，先使用R1.5A3球头刀进行第一次流道粗加工，再使用R1A3球头刀对其余毛坯余量进行第二次粗加工。

使用HYPERMILL软件仿真加工如图2D所示。

这种工艺路线可以大幅度节省加工时间，又可以很好的完成加工的需要。

2.4 叶轮的半精加工
为了降低加工成本，节省加工时间，提高加工的效率，一般首先用大直径的刀具并使用大的切削量进行快速粗加工。

图3A所示为粗加工后的零件表面。

半精加工的过程是为了去除由于使用的粗加工刀具直径较大和大的切削量而遗留在零件标准外形之间的材料，或是因为刀具的拐角半径的存在而遗留在零件壁和底面之间的剩余材料，为了使精加工过程中，零件的加工余量较小，并且更加均匀而进行的加工被称为半精加工。

在对本文中所使用的叶轮进行试加工的过程中，为了提高生产效率，进行了无半精加工的加工实验，结果加工出的叶轮叶片厚度尺寸及表面精度达不到成品的要求。

问题一为叶片厚度尺寸误差问题。

问题二如图3B所示为叶轮被加工后
表面材料分部不均匀导致的表面粗糙度达不到成品要求。

以上问题出现后，通过查阅资料了解到误差产生的原因：
①机床主轴转速不够高，基于实际加工条件的影响，本文中所用的机床的额定主轴转速仅为12 000 r/min，而加工中为了保证加工的稳定性，平均使用转速为10 000 r/min，达不到高速加工的要求。

但本文正好可以为非高速加工加工叶轮类零件提供参考经验。

②在数控机床加工整体叶轮的过程中，机床自身热误差和加工系统变形误差是两个较重要的误差原因。

机床热误差可以通过调控环境温度，缩短加工周期和使用冷却液得到一定的补偿。

加工系统的变形主要有刀具变形和叶片变形。

如图3A所示，粗加工后的叶轮表面毛坯余量残留高度太大，以及残留毛坯分布极不均匀，再因为叶片较薄，因此在粗加工后直接进行精加工就会产生叶片厚度尺寸误差。

③因为通常刀具装夹方式多为悬臂梁，在整个加工系统中是刚性较薄弱的环节，而且加工叶轮所用的刀具一般细且长，因此刀具的弹性变形是叶轮的加工过程中曲面法向加工误差产生的一项重要原因。

因此，大的毛坯余量残留及残留余量分布极不均匀为导致加工后叶轮表面精度达不到成品要求的原因。

基于以上加工失败的原因，在加工工艺路线制定过程中，加入了半精加工的工艺路线。

目的是为了尽量的去除残留毛坯的数量及高度，使精加工余量尽量减小和使精加工余量的分布更均匀，把毛坯残留对精加工及刀具的影响降到最低。

图3C所示为半精加工后的叶轮表面。

图3D所示为成品叶轮最终表面。

2.5 叶轮的精加工
精加工是对叶轮的最终加工，此部分内容为所有高精度零件的加工中必不可少缺少的工艺部分，在此不过多描述。

3 结语
本文以某种模具用叶轮的实际加工为例，通过对该整体叶轮的工艺性研究，有针对性的对加工中的难点分析，继而制定了该叶轮的加工工艺路线，并从实际加工和使用HYPERMILL软件对叶轮的加工过程中所遇到的实际问题进行分析，验证了加工工艺路线的实用性，为叶轮类零件的加工提供实际经验。

文中工艺已应用于叶轮模具的制造，实际价值明显。

参考文献：
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