1 引言（yán）

      葉輪（lún）是一種由複雜曲麵構成的機械零件，是對小型燃氣輪發動機等動力機（jī）械性能影（yǐng）響（xiǎng）最大的核心部件。通常小型燃氣輪發動機葉輪為整體葉輪，其葉片的形狀是機械加工中最難成型的曲麵，因（yīn）此其加工一直是困（kùn）擾工程技術人員的（de）難（nán）題。隨著（zhe）人們對葉輪在流體中受力（lì）的研究，葉輪的葉片也從開始的徑向直葉（yè）片發（fā）展為（wéi）帶有後彎和前傾的扭曲（qǔ）葉片。再加上新型葉輪的葉片長而薄，從加工工藝角度來看，為機械加工提出了更具挑戰（zhàn）性的難點。為了能（néng）夠精確地加工出形狀複雜的（de）葉輪，現在廣泛采用高性能四五軸聯動的數控機床來完成葉輪的加工。然而高性（xìng）能四五軸聯動的數控機床一般都是從國外引進，價格昂（áng）貴，其加工費用較高。另外（wài）整體（tǐ）葉輪的加工一般周期長、效（xiào）率低，往往造成其（qí）加工成本很高。如何提高整體葉輪加（jiā）工效率，降低製造成本，是葉輪加工行業工程技術人員的研究重點。

鈦合金以其優良的機械性能被廣泛（fàn）地作為葉輪（lún）的材料，但鈦合金在機械加工中屬難加工材料。采用（yòng）鈦合金的新型整體葉輪加（jiā）工，難度都較（jiào）大，另外，其（qí）加工質量的優（yōu）劣對（duì）發動機的（de）性能又有決定性的影響。如何能高（gāo）效率地研製出質量（liàng）優（yōu）良的鈦（tài）合金（jīn）整體葉輪是值得研究的問題。

      2 加工難點分析

      本文所研究的整體葉輪加（jiā）工精度要求較高，尺寸精度為IT6 級，表麵粗糙度為Ra1.6。葉片曲麵（miàn）為自由曲麵，其曲率變（biàn）化（huà）大（dà）。葉輪流道（dào）狹窄，極（jí）易發生加工（gōng）刀具與臨近葉片碰（pèng）撞幹涉的問題。葉片較（jiào）長，超（chāo）過50mm，葉片厚度較薄，最厚的部位也隻有2.8mm，在加工過（guò）程中極易引起振（zhèn）動，影響表（biǎo）麵加（jiā）工質量。如圖1。

       葉輪材料為鈦合金TC4，其切削性能較差。同時鈦合金的彈性模量小（大約是45#鋼（gāng）的1/2），在加工過（guò）程中很小的（de）切削力就會產生較大的變形，容易出現粘刀、讓刀、啃刀的現象，使工件（jiàn）的表麵質量、幾何精度難以（yǐ）保證。鈦合金材料的加工往往選用較（jiào）低（dī）的切削參數，其加工效率一般很低。采用鈦合金材料（liào）的整體葉輪（lún）的加工效率較其（qí）他材（cái）料更低。

       葉輪的加工大（dà）體分為葉片（piàn）粗開槽、葉片粗加工和葉片精加工三個步驟完成。葉片粗開槽主要是去除葉片間的（de）大（dà）部分材料，葉（yè）片精加工則是保證葉片形狀和表麵質量。由於此葉輪的葉片處於懸臂（bì）狀態，精加工時（shí）葉片剛性不足，很容易發生彈性變形，使（shǐ）葉片精銑（xǐ）時處於十分不穩定的切削狀態。

      a. 此葉輪葉片為自由曲麵，在精加工時必須采用點銑加工。點銑加工刀具切削（xuē）角度隨時變化，造成切削力變化頻（pín）繁，且方向也不確定。很容易使葉片在刀具的隨機激勵力下產生劇烈的強迫振動，在葉片（piàn）上留下嚴重振紋，影響表麵加工（gōng）質量；

      b. 精加工時的葉片剛性不足（zú），使點銑過程中很小的切削力就會造成（chéng）葉片讓刀，影響（xiǎng）葉片型麵的精度。

      合理確定葉片精加工餘量，保（bǎo）證葉片剛性，以及選擇合適的精加（jiā）工刀具參數，減小切削力，是解決不穩定切削狀態的主（zhǔ）要途徑。

      本文所研究的（de）整（zhěng）體（tǐ）葉（yè）輪（lún）的加工難點在於銑加工工序，一般銑加（jiā）工工序占整個加工總工時（shí）的80%以上，同時銑加工（gōng）質量直接影響著葉輪的性能。如何提高銑加工效率和（hé）葉片成型質量（liàng）是本文討論的（de）重（chóng）點（diǎn）。

      3 多軸數控銑加工工（gōng）藝要（yào）點

      整體葉輪銑加工工藝一（yī）般為：葉輪粗開（kāi）槽，去大餘量；葉片半精銑，輪（lún）轂麵粗掃底；葉片精銑，輪轂精（jīng）掃底（dǐ）。

      為了提高葉輪的加工效率和加工質（zhì）量，結合本文提到葉輪的特點以及我們在葉輪加（jiā）工方麵積累的經驗，實際安排銑加工工藝為：葉輪粗開槽；葉（yè）片精銑，葉輪輪轂麵精掃底。

      與前（qián）麵相比，這種安排去掉了葉（yè）片半（bàn）精銑和輪轂麵粗掃底，從理論上節（jiē）省了1/3 的銑加工工時。本（běn）文要加工的葉輪材料利用率隻有8.5%，其中葉（yè）輪粗開槽（cáo）是去除（chú）材（cái）料的主要工序，大約能去除1/3 的材料。由（yóu）於粗開槽工序去除材料量較大，使（shǐ）材料內部應力釋放，造成應力變形，影響葉輪（lún）的幾何尺寸。實際加工測量表明，葉輪開槽後孔（kǒng）的尺寸大約變化為0.02mm。如何保證嚴格的尺寸精度，減小應力（lì）變形的影響，則必須考慮銑加工工序的合理安排。為了獲得（dé）嚴格的尺（chǐ）寸精度，在葉輪的粗精銑之間安排了精（jīng）車序，以避免葉輪應力釋放變形（xíng）而產生的尺（chǐ）寸變化。實際加工表明，此種安排能夠消除葉輪粗開槽造（zào）成的應力變（biàn）形，獲得嚴格（gé）的尺寸精度。

      葉（yè）輪粗開槽考慮的重點（diǎn）是加工效率和（hé）成本，一般盡量選用低檔的（de）四軸聯動數控機床來實現粗開槽。另外在粗開槽時選（xuǎn）擇合（hé）適的精銑切削餘量，設法加強葉片剛性，確定合適的切削用量，對精加工的難度和（hé）質量有著重要的意義。本文通過改進粗開槽路（lù）徑（jìng）及工藝參數，較大地提高了葉輪粗開槽的效率，使（shǐ）粗開槽後葉輪的狀態更適合於（yú）精加工。在（zài）精加工（gōng）時，選擇合適的加工刀具（jù）和切削參數，在高轉速高（gāo）進給的情況下，提高了整體鈦合金葉輪的加工效率和加（jiā）工質（zhì）量。

      4 毛坯粗加工（gōng）刀位規劃

      粗加工是以快速切除毛坯餘量為目的，其考慮的重點是（shì）加工效率。盡量使（shǐ）刀具（jù）以大進給（gěi）量，盡可能大的切削深度工作，以便在較短的時間內切除盡可能多（duō）的材料。粗加工對表麵質量要求不高。開槽時應盡量選擇大尺寸刀具，以改善切削（xuē）性能，提高切削效率。另外由於該葉輪在工藝安（ān）排上取消了半（bàn）精（jīng）加工，同時考（kǎo）慮到葉輪精加工時不穩定（dìng）的切削狀態，這就對粗開（kāi）槽後葉輪的狀態提出了適（shì）合於精加工的嚴格的要求。

      首先，粗加（jiā）工後葉片的餘量不宜太小。由（yóu）於鈦合金彈性模量小，硬度又（yòu）相對較高，加之葉片剛性較差，因此粗開槽後的留量不能（néng）太小。一方（fāng）麵（miàn）會影響葉片的成型精度和表麵質量，甚至尺寸精度；另一方麵會縮短（duǎn）刀具壽命。同時也不宜太大，否則較難（nán）獲得高質量表麵粗糙度。根據經驗，餘量一般（bān）在2～4mm 之間。其次，粗開槽（cáo）後的餘（yú）量一定要均勻，避免葉片上的餘（yú）量有突（tū）然變化，否則精加工時在餘量突變處（chù）由於葉片變形（xíng）不一致，產生過渡痕跡，影響表麵質量。再次，葉片表麵的餘量要盡可能做成（chéng）塔形，即餘量從葉片頂部（bù）到葉片根部逐漸增加，來增強葉片的剛性。塔形（xíng）餘量的葉片具有較強的（de）剛性，可以減輕精加工時引起的（de）振動。

      根據以上對整體葉輪開槽提出的要求，現對以下幾種開槽路徑規劃進（jìn）行介紹：

      a. 將葉輪臥壓在機床上，適合於從軸向看葉片沒有重疊且沒有扭曲的葉輪，否則會使開（kāi）槽去除毛坯餘量不徹底，不能達到去除流道間（jiān）餘（yú）量的目的；

      b. 對根據餘量偏移後的葉片進行（háng）仿型銑削。這種方式留量均勻，但開（kāi）槽過程中，銑削偏移後的葉片時總有（yǒu）半圈是（shì）整個刀具（球頭和側刃）參加（jiā）切削，使切削進給率不能提高，且（qiě）影響刀（dāo）具壽命；

      c. 針對以上兩種開槽方式的缺點，本文提出根據葉輪流道方向逐層由上而下（xià）建立刀路，通過控（kòng）製每層（céng）在流道間的加工麵積（jī）來實現在葉（yè）片上的留量，同時可根據加工麵積（jī）的不同來實現在葉片上（shàng）的餘（yú）量成塔形，從而保證（zhèng）葉片剛性。圖2 為仿真模擬加工完成後的情況。

      三種粗加工方式比較如表1。

      本文采用沿流道逐層開（kāi）槽（cáo）的方式。實際加工表明該（gāi）方式具有（yǒu）效率高，開槽（cáo）後葉（yè）片餘量均勻（yún），同時保證葉片具有足夠的剛性。另外該方式對（duì）刀具刃（rèn）長要求較短，可避免（miǎn）過長的刀（dāo）刃參加切削，切削力小。刀具幹涉少，排屑情況好，冷卻充分。 

      由（yóu）於鈦合金加工過（guò）程中爬坡銑時存在啃刀現象，因此切削進給率（lǜ）不能很高。爬（pá）坡銑時的切削條件極不穩定，刀具接近中（zhōng）心（xīn）處由於線切削速度幾乎為（wéi）零，因此極（jí）易發生崩（bēng）刃。實際加工表明，存在（zài）爬坡（pō）銑的情況下（xià），向上銑的刀具壽命優（yōu）於向下銑。向（xiàng）上銑刀（dāo）具中心不（bú）參加切（qiē）削，刀具不易發生啃刀和（hé）崩刃，因（yīn）此（cǐ）應該采用（yòng）向上銑。圖3 為啃刀情況示意圖。

      為了避免啃刀和粗（cū）開槽全（quán）過程頻繁抬刀，在（zài）建立刀路過程中，使流道的上幾層刀路與XY 平麵（miàn）平行，采用等高銑刀具路徑。下幾層（céng）刀路由下而上走刀，采用向上銑刀具路徑。通過對刀具路徑（jìng）進行後置處理（lǐ），最終在（zài）低檔四軸聯動機床上實現了葉輪的粗開槽。圖4 為葉輪開槽過程和產品實物。

      5 葉片精加工和輪轂麵精掃底（dǐ）

      葉片精加工和輪轂麵精掃底是葉輪加工的重點部分（fèn），其加工（gōng）精度和表麵質量對葉輪的（de）性能影響很大。采用UG 的可變軸（zhóu）輪廓銑對葉片精加工進行編程，切削方（fāng）式采用順銑，每層加工步長0.3mm，表麵粗糙度為0.01mm。圖5 為葉片（piàn）精銑刀路軌跡（jì）。

      輪轂麵精掃底采用ZIG-ZAG雙向往複切削方式，使刀路沿流道方向雙（shuāng）向往複加工。該（gāi）切削方式的特（tè）點是切削過程中順銑逆銑交替進行，其加工效率高（gāo）。圖6 為輪轂（gū）麵精掃底刀路軌跡（jì）。

      6 葉輪精加工刀具和切削參數的選擇

      在實（shí）際加工中，由於精銑加工存在不穩定的切削狀態，因此（cǐ）刀具參數的合理（lǐ）選擇和加工參（cān）數的匹（pǐ）配，對鈦（tài）合金葉輪的（de）加工效率、表麵質量有重要影響。在精加工時（shí）解決不穩（wěn）定切削狀態的一個重要途徑是選擇（zé）合適的精加工刀具。根據（jù）鈦合金的（de）加工特點和我們（men）在鈦合金加工方麵的經驗，其精加工刀具材料一（yī）般選用細晶粒硬質（zhì）合金YL10.2。鈦合金加工刀（dāo）具後角的選擇是（shì）最關鍵的。適當增大後角可以提高刀具的耐用度（dù），但同時會（huì）發生崩刃的現象，一般選擇8°～10°。前刀麵與材料的接觸麵小，則（zé）前刀（dāo）麵的磨損小，應選擇較小前角，前角取值應在10°以內（nèi）。螺旋角對刀具前（qián）角有較大的影響（xiǎng），增大螺旋角可以提高刀具實際切削前角，這樣可以避免因前角過大而降低刀具強（qiáng）度，又可以減小切削力，提高刀具壽（shòu）命。根據（jù）經驗，加工（gōng）鈦合金刀具（jù）螺（luó）旋角應在30°～40°之間。實際加（jiā）工表明葉輪精加工刀具的輪廓度對葉（yè）片的成型質量有重要影響（xiǎng），若（ruò）刀具（jù）實際（jì）廓形與理論廓形（xíng）相差較大，在精加工時會將（jiāng）刀具廓形誤差反映在葉片上（shàng），影響葉片（piàn）型（xíng）麵的成型質量，因此必須對葉輪（lún）精加工刀具的廓形進行嚴格的控製。

      對加工質量和效（xiào）率有重（chóng）要影響（xiǎng）的另一因素是切削參數的匹配和機床的選擇。本文（wén）采用（yòng）哈默C40U 五軸數控機床進行葉輪的（de）加工，轉速選擇（zé）10000rin/min，進（jìn）給率900mm/min。最（zuì）終高（gāo）效率地加工（gōng）出（chū）表麵（miàn）質量較好的鈦合金整體葉輪。圖8 為在哈默C40U 上加工完後的產品實物（wù）。

      7 結束（shù）語

      葉輪的加工主要是在昂（áng）貴的多軸（zhóu）高性能數控機（jī）床上進行的，如何（hé）降低成本，提高效率和質量（liàng）是工程技術人員研究的重點。本文結合某鈦合金整體葉輪的加工過程，調整工藝流程，提出一（yī）種新的粗加工刀路規（guī）劃，在五軸高速銑床上高轉速、高進（jìn）給地（dì）實現了葉輪的（de）加工。實際（jì）加工表明，該方案能高效率、高質量地完成鈦（tài）合金整體葉輪的加（jiā）工。

      a. 本文重點介紹了粗開槽階段的刀位規劃。分析和比較（jiào）了三種粗開槽方式（shì）的優缺點，提出了沿流道方向逐層由上而下進行開（kāi）槽的方法。該方法具（jù）有開槽效率高，留量均勻，開槽後葉片的剛性好，更適合精加工的（de）優點；

      b. 在葉輪精加工時選擇合理的刀具參數和（hé）切削參數，最終采（cǎi）用哈默C40U 五軸高速加工中心，用高（gāo）轉速、高進給（gěi）實現了高效率、高質量的加工。