鈦合金整體閉式葉輪的五軸高速加工及研究

　　引言

　　高速切削加工是一種利用高速機床，減小切削力，提高加工質量和效率的金屬加工方法。主要應用于硬度大、強度高，以及導熱性能差等難加工材料。五軸高速銑削是當今發(fā)展的趨勢，它將一些傳統加工無法做到的變?yōu)榱爽F實，主要用于加工像葉輪、渦輪等結構復雜的零件。

　　從材料上來說，鈦合金閉式葉輪加工一直以來就是機械加工的難點。材料的比強度高[1]，導熱性差，彈性模量小，化學活性高，其零件外形復雜且加工精度要求和表面粗糙度都較高，這就對加工機床，加工工藝，以及刀具和夾具等提出了很高的要求。高速切削加工是當今金屬加工的主要方向，且加工精度高，表面粗糙度好,其尺寸精度能達到um級，在一些加工上甚至達到納米級,在粗糙度上經過改進后其表面質量可達到磨削級別。例如，在切削硬度為 HRC45～50的45#淬硬鋼時，當切削速度達到800~850 m/min 時，其加工面的表面粗糙度值可以達到Ra0.1[2] ，完全可以以切代磨。 

　　針對閉式整體式葉輪，加之其外形結構復雜、材料難加工，傳統的機床根本無法加工，五軸高速銑削加工則是當代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，而對于加工工藝更是需要我們深入地研究和探討。本文則結合了閉式葉輪的加工精度、外形結構和材料等多方面因素，提出了五軸高速加工、五軸高速加工工藝，對此類零件加工工藝的編制具有一定的參考價值。

1  閉式葉輪的建模[3-4]

　　建模是葉輪加工的基礎，建模的正確與否將直接影響后面的編程（編程是將模型導入編程軟件里，由計算機直接生成所需的數控程序）和加工零件的質量。閉式葉輪建模難點在于葉片曲面的造型。利用大型的 CAD 建模軟件，根據特定的算法，主要是 B 樣條曲線來對葉片曲面造型。

Pro/E是美國PTC公司開發(fā)的建模軟件，它集CAD/CAE/CAM于一體，是工業(yè)軟件領域的巔峰之作。Pro/E憑借其強大的三維實體造型和分模功能，已成為模具工業(yè)中應用最為廣泛的設計軟件之一。本文應用Pro/E 5.0的建模功能模塊，對閉式葉輪進行建模造型。在Pro/E的建模中，通過B 樣條曲線來建立葉輪模型，且根據模型的精度要求進行模型精度控制。首先是葉輪基體及流道面的建立，其次葉輪葉片和覆蓋曲面的創(chuàng)建。創(chuàng)建的模型過程如圖1（葉片和流道面），圖2（葉輪模型）所示。

 

2    鈦合金閉式葉輪加工工藝的研究

2.1   機床的研究和選擇

　　針對本論文研究零件的材料是鈦合金，一種難加工材料，故選用高速機床。而閉式葉輪的形狀復雜，故選用五軸加工。基于以上原因，故選擇五軸高速機床MIKRON HSM400U作為其加工機床。 如圖3，它的五軸是由X，Y，Z三個直線軸和B，C（繞Y，Z軸旋轉）兩個旋轉軸構成，其工作范圍參數表1，驅動進給參數表2。

 

2.2   刀具研究及選擇

　　由于高速切削的線速度很高，傳統刀具已不能滿足在如此高速的選擇下加工零件。同時，刀具的夾持系統也需要改進，比如刀柄，就要求有很好的裝夾剛度[5] ，好的幾何精度，好的動平衡性以及好的重復裝夾精度。傳統的BT，ISO 等刀柄由于剛性不足，軸向尺寸不穩(wěn)定，重定位精度不高等缺點，已不能適應高速加工的要求，已基本不在高速加工中使用[6]。而在21世紀出現的HSK、HM等刀柄，質量輕，動平衡也很好，他們則適應了高速旋轉的主軸。尤其是 HSK，它是譽為21 世紀刀具聯結技術的一次飛躍式改革。 針對本工件材料鈦合金TC4，最合適的刀具材料PCD和涂層硬質合金，但PCD成本太高，此處選涂層硬質合金材料刀具，故我們選擇刀具如圖4所示,選用SCHAUBLIN高速加工刀柄和Fraisa應用于鈦合金高速切削加工的球頭銑刀。

 

2.3   夾具設計

　　在數控加工中，為保證零件的位置精度和比較高的加工效率，往往是一次裝夾，完成多序加工，既要保證產品的加工質量，又要方便裝夾，盡可能地提高加工效率[7]。

　　根據以上分析，本工序設計的夾具必須注意以下幾點： 

（1）本夾具為專用夾具，必須滿足零件結構復雜、精度要求高的特點。 

（2）根據所選機床的結構特點，Y 向行程 240 mm，Z 向行程350 mm，夾具不能過大。

（3）夾具不能懸伸過長，懸伸過長時，當 B 軸處于90°左右位置時會承受過大的力矩。但又不能懸伸過短，懸伸過短又會限制刀具的進退和切削位置。 

（4）夾具要有足夠的剛性。 

　　根據本工序的夾具的定位、精度、空間和快速轉換的要求以及閉式葉輪結構復雜精度要求高，設計出夾具如圖 5，零件和夾具的裝配如圖6。

 

3   鈦合金閉式葉輪加工的試驗與分析

3.1   工件材料

　　本加工葉輪材料是鈦合金TC4Ti-6Al-4V，屬于 α+β 型鈦合金[8]。由于鈦合金特殊的物理和化學特性，鈦合金的加工一直以來就是切削加工的難點。3.2  加工方法3.2.1  高速銑削

　　根據鈦合金的特點，在零件加工中，高速切削是最優(yōu)的選擇，本課題選用高速銑削，其具有以下特點： 

（1）散熱好：由于鈦合金的熱導率很差，而高速切削正好彌補這一缺點，高速　切削加工中能帶走90%的熱量，這樣減少了工件和刀具的散熱的同時也提高了零件的質量。 

（2）可以降低加工表面的表面粗糙度：切削力是加工過程中產生振動的主要原因，如果工件轉動頻率接近機床的固有頻率，就會產生共振，將切削力無限放大，將破壞加工系統。工件加工

表面的粗糙度對機床的低階固有頻率最敏感，而高速加工系統的工作頻率遠離機床的低階固有頻率，故能降低工件的表面粗糙度。此外，切削加工時，在一定速度范圍里，切削速度越高，加工面的表面粗糙度就越低[9] ，而高速切削可正好滿足這一要求。 

（3）加工效率高：對于 TC4 鈦合金，由于它的材料特性，傳統加工效率極其低下，而高速銑削鈦合金的切削速度已經能達到200 m/min以上，其加工效率提高 5 倍以上[10]。

3.2.2  五軸加工

由于曲面結構復雜，普通的機床已經無法滿足加工精度及加工效率要求，而五軸是必然選擇。加工工序分粗加工、半精加工、精加工，具體加工參數如下：

（1）粗加工：考慮粗加工表面粗糙度較大，尺寸精度不會太高， 粗定單邊留 0.5 mm 加工余量。此工序參數為表3，刀具為圓鼻刀，轉速n=1 850 r/min。

 

（2）半精加工：半精加工是為了繼續(xù)降低

表面粗糙度，為精加工做最后準備。半精加工對表面粗糙度和尺寸精度要求較高，則為精加工預留0.05 mm余量。此工序參數為表4，其中刀具為球頭銑刀，轉速n=6 000 r/min。

 

（3）精加工：精加工是最后一道工序，它在保證零件尺寸精度和表面精度的同時也要求不留余量。其參數如表5，其中刀具為球頭銑刀，轉速n=8 000 r/min，加工結果滿足要求。

 

3.3  加工的精度影響

　　要保證零件的加工精度，就必須減少工藝系統的誤差。工藝系統誤差包含工藝系統原有誤差和加工過程誤差。前者包含機床誤差、加工原理誤差、刀具誤差和其他誤差來源（如夾具制造和磨損誤差），后者為工藝系統的受力變形、熱變形和本身的應力變形。因此，做好上述問題的分析是減少加工精度的必要條件。

4  結語

　　高速加工技術是當今制造業(yè)的前沿發(fā)展技術，而五軸數控加工也是當今發(fā)展的一個新的領域，對于鈦合金的加工卻一直是傳統制造業(yè)的一個難點。在此背景下，本文以鈦合金閉式葉輪的加工作為研究對象，探討了五軸高速切削技術在鈦合金加工中的應用。提出五軸加工來加工此類結構復雜的零件，最終確定五軸高速切削作為鈦合金閉式葉輪加工的工藝方法。