1、引言

叶轮是一种由复杂曲面组成的机械零件，是对幼型燃气轮发起机等动力机械机能影响最大的主题部件
。通常幼型燃气轮发起机叶轮为整体叶轮，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
。随着人们对叶轮在流体中受力的钻研，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
。再加上新型叶轮的叶片长而薄，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
。为了可能精确地加工出状态复杂的叶轮，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
。然而高机能四五轴联动的数控机床通常都是从国表引进，价值昂贵，其加工用度较高
。另表整体叶轮的加工通常周期长、效能低，往往造成其加工成本很高
。若何提高整体叶轮加工效能，降低造作成本，是叶轮加工行业工程技术人员的钻研沉点
。

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
。选取钛合金的新型整体叶轮加工，难度都较大，另表，其加工质量的曲直对发起机的机能又有决定性的影响
。若何能高效能地研造出质量良好的整体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，表表粗糙度为 R a 1.6
。叶片曲面为自由曲面，其曲率变动大
。叶轮流路狭幼，极易产生加工刀具与邻近叶片碰撞过问的问题
。叶片较长，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，影响表表加工质量
。如图 1
。

叶轮资料为TC4钛合金，其切削机能较差
。同时钛合金的弹性模量
。ㄔ寄 45#钢的 1/2），在加工过程中很幼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，使工件的表表质量、几何精度难以保障
。钛合金资料的加工往往选用较低的切削参数，其加工效能通常很低
。选取钛合金资料的整体叶轮的加工效能较其他资料更低
。

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
。叶片粗开槽重要是去除叶片间的大部门资料，叶片精加工则是保障叶片状态和表表质量
。由于此叶轮的叶片处于悬臂状态，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
。点铣加工刀具切削角度随时变动，造成切削力变动频仍，且方向也不确定
。很容易使叶片在刀具的随机激励力下产生剧烈的胁迫振动，在叶片上留下严沉振纹，影响表表加工质量
；

b. 精加工时的叶片刚性不及，使点铣过程中很幼的切削力就会造成叶片让刀，影响叶片型面的精度
。合理确定叶片精加工余量，保障叶片刚性，以及选择相宜的精加工刀具参数，减幼切削力，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
。若何提高铣加工效能和叶片成型质量是本文会商的沉点
。

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，这衷焯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
。由于粗开槽工序去除资料量较大，使资料内部应力开释，造成应力变形，影响叶轮的几何尺寸
。现实加工丈量批注，叶轮开槽后孔的尺寸约莫变动为0.02mm
。若何保障严格的尺寸精度，减幼应力变形的影响，则必须思考铣加工工序的合理铺排
。为了获得严格的尺寸精度，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
。现实加工批注，此衷焯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
。

叶轮粗开槽思考的沉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
。另表在粗开槽时选择相宜的精铣切削余量，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沉要的意思
。本文通过改进粗开槽蹊径及工艺参数，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
。在精加工时，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，其思考的沉点是加工效能
。尽量使刀具以猛进给量，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
。粗加工对表表质量要求不高
？凼庇×垦≡翊蟪叽绲毒，以改善切削机能，提高切削效能
。

另表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幼
。由于钛合金弹性模量幼，硬杜字相对较高，加之叶片刚性较差，因而粗开槽后的留量不能太幼
。一方面会影响叶片的成型精度和表表质量，甚至尺寸精度
；另一方面会缩短刀具寿命
。同时也不宜太大，不然较难获得高质量表表粗糙度
。凭据经验，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，影响表表质量
。再次，叶片表表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
。塔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沉叠且没有扭曲的叶轮，不然会使开槽去除毛坯余量不彻底，不能达到去除流路间余量的主张
；

b. 对凭据余量偏移后的叶片进行仿型铣削
。这种方式留量均匀，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路方向逐层由上而下成立刀路，通过节造每层在流路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
。图 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

本文选取沿流路逐层开槽的方式
。现实加工批注该方式拥有效率高，开槽后叶片余量均匀，同时保障叶片拥有足够的刚性
。另表该方式对刀具刃长要求较短，可预防过长的刀刃参与切削，切削力幼
。刀具过问少，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
。爬坡铣时的切削前提极不不变，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
。现实加工批注，存在爬坡铣的情况下，向上铣的刀具寿命优于向下铣
。向上铣刀具中心不参与切削，刀具不易产生啃刀和崩刃，因而应该选取向上铣
。图 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，使流路的上几层刀路与 XY 平面平行，选取等高铣刀具蹊径
。下几层刀路由下而上走刀，选取向上铣刀具蹊径
。通过对刀具蹊径进行后置处置，最终在低档四轴联动机床上实现了叶轮的粗开槽
。图4 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沉点部门，其加工精度和表表质量对叶轮的机能影响很大
。选取 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，表表粗糙度为 0.01mm
。图 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，使刀路沿流路方向双神驰复加工
。该切削方式的特点是切削过程中顺铣逆铣交替进行，其加工效能高
。图6 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、表表质量有沉要影响
。在精加工时解决不不变切削状态的一个沉要蹊径是选择相宜的精加工刀具
。凭据钛合金的加工特点和我们在钛合金加工方面的经验，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
。适当增大后角能够提高刀具的耐用度，但同时会产生崩刃的景象，通常选择 8°～10°
。

前导与资料的接触面幼，则前导的磨损幼，应选择较幼前角，前角取值应在 10°以内
。螺旋角对刀具前角有较大的影响，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，又能够减幼切削力，提高刀具寿命
。凭据经验，加工钛合金刀具螺旋角应在 30°～40°之间
。现实加工批注叶轮精加工刀具的概括度对叶片的成型质量有沉要影响，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造
。

对加工质量和效能有沉要影响的另一成分是切削参数的匹配和机床的选择
。本文选取哈默 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
。最终高效能地加工出表表质量较好迪胙合金整体叶轮
。图 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沉点
。本文结合某钛合金整体叶轮的加工过程，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
。现实加工批注，该规划能高效能、高质量地实现钛合金整体叶轮的加工
。

a. 本文沉点介绍了粗开槽阶段的刀位规划
。分析和比力了三种粗开槽方式的优弊端，提出了沿流路方向逐层由上而下进行开槽的步骤
。该步骤拥有开槽效能高，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. 国内表叶轮数控加工发展示状. 航天造作技术，2002.（2）：33

[2] 贾健明. 整体叶轮的多轴数控加工编程. 航天造作技术，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