1、、、引言

叶轮是一种由复杂曲面组成的机械零件，，，是对小型燃气轮发起机等动力机械机能影响最大的主题部件。！！！ＭǔＰ⌒腿计址⑵鸹堵治逡堵，，，其叶片的状态是机械加工中最难成型的曲面，，，因而其加工一向是困扰工程技术人员的难题。！！！Ｋ孀湃嗣嵌砸堵衷诹魈逯惺芰Φ淖暄，，，叶轮的叶片也从起头的径向直叶片发展为带有后弯和前倾的扭曲叶片。！！！Ｔ偌由闲滦鸵堵值囊镀ざ，，，从加工工艺角度来看，，，为机械加工提出了更具挑战性的难点。！！！Ｎ丝赡芫返丶庸こ鲎刺丛拥囊堵，，，此刻宽泛选取高机能四五轴联动的数控机床来实现叶轮的加工。！！！Ｈ欢呋芩奈逯崃氖鼗餐ǔ６际谴庸庖，，，价值昂贵，，，其加工用度较高。！！！１鸬恼逡堵值募庸ねǔＶ芷诔、、、效能低，，，往往造成其加工成本很高。！！！Ｈ艉翁岣哒逡堵旨庸ば，，，降低制作成本，，，是叶轮加工行业工程技术人员的钻研重点。！！！

钛合金以其良好的机械机能被宽泛地作为叶轮的资料，，，但钛合金在机械加工中属难加工资料。！！！Ｑ∪☆押辖鸬男滦驼逡堵旨庸，，，难度都较大，，，别的，，，其加工质量的曲直对发起机的机能又有决定性的影响。！！！Ｈ艉文芨咝艿匮兄瞥鲋柿苛己玫恼钛合金叶轮是值得钻研的问题。！！！

2、、、加工难点分析

本文所钻研的整体钛合金叶轮加工精度要求较高，，，尺寸精度为 IT6 级，，，理论粗糙度为 R a 1.6。！！！Ｒ镀嫖杂汕，，，其曲率变动大。！！！Ｒ堵至鞯老列，，，极易产生加工刀具与邻近叶片碰撞过问的问题。！！！Ｒ镀铣，，，超过50mm，，，叶片厚度较薄，，，最厚的部位也只有 2.8mm，，，在加工过程中极易引起振动，，，影响理论加工质量。！！！Ｈ缤 1。！！！

叶轮资料为TC4钛合金，，，其切削机能较差。！！！Ｍ鳖押辖鸬牡阅Ａ啃。！！！（约莫是 45#钢的 1/2），，，在加工过程中很小的切削力就会产生较大的变形，，，容易出现粘刀、、、让刀、、、啃刀的景象，，，使工件的理论质量、、、几何精度难以保障。！！！ｎ押辖鹱柿系募庸ね∮媒系偷那邢鞑问，，，其加工效能通常很低。！！！Ｑ∪☆押辖鹱柿系恼逡堵值募庸ば芙掀渌柿细。！！！

叶轮的加工大体分为叶片粗开槽、、、叶片粗加工和叶片精加工三个步骤实现。！！！Ｒ镀挚壑匾侨コ镀涞拇蟛棵抛柿，，，叶片精加工则是保障叶片状态和理论质量。！！！Ｓ捎诖艘堵值囊镀τ谛圩刺，，，精加工时叶片刚性不及，，，很容易产生弹性变形，，，使叶片精铣时处于极度不不变的切削状态。！！！

a. 此叶轮叶片为自由曲面，，，在精加工时必须选取点铣加工。！！！５阆臣庸さ毒咔邢鹘嵌人媸北涠，，，造成切削力变动频仍，，，且方向也不确定。！！！：苋菀资挂镀诘毒叩乃婊だο虏缌业男财日穸，，，在叶片上留下严重振纹，，，影响理论加工质量；

b. 精加工时的叶片刚性不及，，，使点铣过程中很小的切削力就会造成叶片让刀，，，影响叶片型面的精度。！！！：侠砣范ㄒ镀庸び嗔，，，保障叶片刚性，，，以及选择相宜的精加工刀具参数，，，减小切削力，，，是解决不不变切削状态的重要蹊径。！！！

本文所钻研的整体叶轮的加工难点在于铣加工工序，，，通常铣加工工序占整个加工总工时的 80%以上，，，同时铣加工质量直接影响着叶轮的机能。！！！Ｈ艉翁岣呦臣庸ば芎鸵镀尚椭柿渴潜疚幕嵘痰闹氐。！！！

3、、、多轴数控铣加工工艺重点

整体叶轮铣加工工艺通常为：叶轮粗开槽，，，去大余量；叶片半精铣，，，轮毂面粗扫底；叶片精铣，，，轮毂精扫底。！！！

为了提高叶轮的加工效能和加工质量，，，结合本文提到叶轮的特点以及我们在叶轮加工方面堆集的经验，，，现实铺排铣加工工艺为：叶轮粗开槽；叶片精铣，，，叶轮轮毂面精扫底。！！！

与前面相比，，，这种铺排去掉了叶片半精铣和轮毂面粗扫底，，，从理论上节俭了 1/3 的铣加工工时。！！！

本文要加工的叶轮资料利用率只有 8.5%，，，其中叶轮粗开槽是去除资料的重要工序，，，约莫能去除 1/3 的资料。！！！Ｓ捎诖挚酃ば蛉コ柿狭拷洗，，，使资料内部应力开释，，，造成应力变形，，，影响叶轮的几何尺寸。！！！Ｏ质导庸ふ闪颗，，，叶轮开槽后孔的尺寸约莫变动为0.02mm。！！！Ｈ艉伪Ｕ涎细竦某叽缇，，，减小应力变形的影响，，，则必须思考铣加工工序的合理铺排。！！！Ｎ嘶竦醚细竦某叽缇，，，在叶轮的粗精铣之间铺排了精车序，，，以预防叶轮应力开释变形而产生的尺寸变动。！！！Ｏ质导庸づ，，，此种铺排可能解除叶轮粗开槽造成的应力变形，，，获得严格的尺寸精度。！！！

叶轮粗开槽思考的重点是加工效能和成本，，，通常尽量选用低档的四轴联动数控机床来实现粗开槽。！！！１鸬脑诖挚凼毖≡裣嘁说木城邢饔嗔，，，设法加强叶片刚性，，，确定相宜的切削用量，，，对精加工的难度和质量有着重要的意思。！！！１疚耐ü慕挚埘杈都肮ひ詹问，，，较大地提高了叶轮粗开槽的效能，，，使粗开槽后叶轮的状态更适合于精加工。！！！Ｔ诰庸な，，，选择相宜的加工刀具和切削参数，，，在高转速高进给的情况下，，，提高了整体钛合金叶轮的加工效能和加工质量。！！！

4、、、毛坯粗加工刀位规划

粗加工是以急剧切除毛坯余量为主张，，，其思考的重点是加工效能。！！！＞×渴沟毒咭悦徒，，，尽可能大的切削深度工作，，，以便在较短的功夫内切除尽可能多的资料。！！！４旨庸ざ岳砺壑柿恳蟛桓。！！！？？？凼庇×垦≡翊蟪叽绲毒，，，以改善切削机能，，，提高切削效能。！！！

别的由于该叶轮在工艺铺排上取缔了半精加工，，，同时思考到叶轮精加工时不不变的切削状态，，，这就对粗开槽后叶轮的状态提出了适合于精加工的严格的要求。！！！

首先，，，粗加工后叶片的余量不宜太小。！！！Ｓ捎陬押辖鸬阅Ａ啃，，，硬度又相对较高，，，加之叶片刚性较差，，，因而粗开槽后的留量不能太小。！！！Ｒ环矫婊嵊跋煲镀某尚途群屠砺壑柿，，，甚至尺寸精度；另一方面会缩短刀具寿命。！！！Ｍ币膊灰颂，，，不然较难获得高质量理论粗糙度。！！！Ｆ揪菥，，，余量通常在 2～4mm 之间。！！！

其次，，，粗开槽后的余量肯定要均匀，，，预防叶片上的余量有忽然变动，，，不然精加工时在余量突变处由于叶片变形不一致，，，产生过渡痕迹，，，影响理论质量。！！！Ｔ俅，，，叶片理论的余量要尽可能做成塔形，，，即余量从叶片顶部到叶片根部逐步增长，，，来加强叶片的刚性。！！！Ｋ形余量的叶片拥有较强的刚性，，，能够减轻精加工时引起的振动。！！！

凭据以上对整体叶轮开槽提出的要求，，，现对以下几种开槽蹊径规划进行介绍：

a. 将叶轮卧压在机床上，，，适合于从轴向看叶片没有重叠且没有扭曲的叶轮，，，不然会使开槽去除毛坯余量不彻底，，，不能达到去除流道间余量的主张；

b. 对凭据余量偏移后的叶片进行仿型铣削。！！！Ｕ庵址绞搅袅烤，，，但开槽过程中，，，铣削偏移后的叶片时总有半圈是整个刀具（球头和侧刃）参与切削，，，使切削进给率不能提高，，，且影响刀具寿命；

c. 针对以上两种开槽方式的弊端，，，本文提出凭据叶轮流道方向逐层由上而下成立刀路，，，通过节制每层在流道间的加工面积来实此刻叶片上的留量，，，同时可凭据加工面积的分歧来实此刻叶片上的余量成塔形，，，从而保障叶片刚性。！！！Ｍ 2 为仿真仿照加工实现后的情况。！！！

三种粗加工方式比力如表 1。！！！

表 1 三种粗加工方式表

本文选取沿流道逐层开槽的方式。！！！Ｏ质导庸づ⒏梅绞接涤行矢，，，开槽后叶片余量均匀，，，同时保障叶片拥有足够的刚性。！！！１鸬母梅绞蕉缘毒呷谐ひ蠼隙，，，可预防过长的刀刃参与切削，，，切削力小。！！！５毒吖噬，，，排屑情况好，，，冷却充分。！！！

由于钛合金加工过程中爬坡铣时存在啃刀景象，，，因而切削进给率不能很高。！！！Ｅ榔孪呈钡那邢髑疤峒徊槐，，，刀具靠近中心处由于线切削速度险些为零，，，因而极易产生崩刃。！！！Ｏ质导庸づ，，，存在爬坡铣的情况下，，，向上铣的刀具寿命优于向下铣。！！！Ｏ蛏舷车毒咧行牟徊斡肭邢，，，刀具不易产生啃刀和崩刃，，，因而应该选取向上铣。！！！Ｍ 3 为啃刀情况示意图。！！！

为了预防啃刀和粗开槽全过程频仍抬刀，，，在成立刀路过程中，，，使流道的上几层刀路与 XY 平面平行，，，选取等高铣刀具蹊径。！！！Ｏ录覆愕堵酚上露献叩，，，选取向上铣刀具蹊径。！！！Ｍü缘毒啧杈督泻笾么χ，，，最终在低档四轴联动机床上实现了叶轮的粗开槽。！！！Ｍ4 为叶轮开槽过程和产品实物。！！！

5、、、叶片精加工和轮毂面精扫底

叶片精加工和轮毂面精扫底是叶轮加工的重点部门，，，其加工精度和理论质量对叶轮的机能影响很大。！！！Ｑ∪ UG 的可变轴概括铣对叶片精加工进行编程，，，切削方式选取顺铣，，，每层加工步长 0.3mm，，，理论粗糙度为 0.01mm。！！！Ｍ 5 为叶片精铣刀路轨迹。！！！

轮毂面精扫底选取ZIG-ZAG双神驰复切削方式，，，使刀路沿流道方向双神驰复加工。！！！８们邢鞣绞降奶氐闶乔邢鞴讨兴诚衬嫦辰惶娼，，，其加工效能高。！！！Ｍ6 为轮毂面精扫底刀路轨迹。！！！

6、、、叶轮精加工刀具和切削参数的选择

在现实加工中，，，由于精铣加工存在不不变的切削状态，，，因而刀具参数的合理选择和加工参数的匹配，，，对钛合金叶轮的加工效能、、、理论质量有重要影响。！！！Ｔ诰庸な苯饩霾徊槐淝邢髯刺囊桓鲋匾杈妒茄≡裣嘁说木庸さ毒。！！！Ｆ揪蓊押辖鸬募庸ぬ氐愫臀颐窃陬押辖鸺庸し矫娴木，，，其精加工刀具资料通常选用细晶粒硬质合金 YL10.2。！！！钛合金加工刀具后角的选择是最关键的。！！！Ｊ实痹龃蠛蠼悄芄惶岣叩毒叩哪陀枚，，，但同时会产生崩刃的景象，，，通常选择 8°～10°。！！！

前刀面与资料的接触面小，，，则前刀面的磨损小，，，应选择较小前角，，，前角取值应在 10°以内。！！！Ｂ菪嵌缘毒咔敖怯薪洗蟮挠跋，，，增大螺旋角能够提高刀具现实切削前角，，，这样能够预防因前角过大而降低刀具强度，，，又能够减小切削力，，，提高刀具寿命。！！！Ｆ揪菥，，，加工钛合金刀具螺旋角应在 30°～40°之间。！！！Ｏ质导庸づ⒁堵志庸さ毒叩母爬ǘ榷砸镀某尚椭柿坑兄匾跋，，，若刀具现实廓形与理论廓形相差较大，，，在精加工时会将刀具廓形误差反映在叶片上，，，影响叶片型面的成型质量，，，因而必须对叶轮精加工刀具的廓形进行严格的节制。！！！

对加工质量和效能有重要影响的另一成分是切削参数的匹配和机床的选择。！！！１疚难∪」默 C40U 五轴数控机床进行叶轮的加工，，，转速选择 10000rin/min，，，进给率 900mm/min。！！！Ｗ钪崭咝艿丶庸こ隼砺壑柿拷虾玫念押辖鹫逡堵。！！！Ｍ 7 为在哈默 C40U 上加工完后的产品实物。！！！

7、、、实现语

叶轮的加工重要是在昂贵的多轴高机能数控机床上进行的，，，若何降低成本，，，提高效能和质量是工程技术人员钻研的重点。！！！１疚慕岷夏愁押辖鹫逡堵值募庸す，，，调整工艺流程，，，提出一种新的粗加工刀路规划，，，在五轴高速铣床上高转速、、、高进给地实现了叶轮的加工。！！！Ｏ质导庸づ，，，该规划能高效能、、、高质量地实现钛合金整体叶轮的加工。！！！

a. 本文重点介绍了粗开槽阶段的刀位规划。！！！７治龊捅攘α巳执挚鄯绞降挠疟锥，，，提出了沿流道方向逐层由上而下进行开槽的步骤。！！！８貌街栌涤锌坌芨，，，留量均匀，，，开槽后叶片的刚性好，，，更适合精加工的利益；

b. 在叶轮精加工时选择合理的刀具参数和切削参数，，，最终选取哈默 C40U 五轴高速加工中心，，，用高转速、、、高进给实现了高效能、、、高质量的加工。！！！

参考文件

[1] 陈皓晖. 国内外叶轮数控加工发展示状. 航天制作技术，，，2002.（2）：33

[2] 贾健明. 整体叶轮的多轴数控加工编程. 航天制作技术，，，2002.（6）：3

[3] 杨显惠. 选取逆向工程对叶轮的建模及其数控加工的钻研，，，哈尔滨工程大学硕士学位论文