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(jī)床，減小切削力，提高加工質(zhì)量和效率的金屬加工方法。主要應(yīng)用于硬度大、強(qiáng)度高，以及導(dǎo)熱性能差等難加工材料。五軸高速銑削是當(dāng)今發(fā)展的趨勢(shì)，它將一些傳統(tǒng)加工無(wú)法做到的變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)，主要用于加工像葉輪、渦輪等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。

　　從材料上來(lái)說(shuō)，鈦合金閉式葉輪加工一直以來(lái)就是機(jī)械加工的難點(diǎn)。材料的比強(qiáng)度高[1]，導(dǎo)熱性差，彈性模量小，化學(xué)活性高，其零件外形復(fù)雜且加工精度要求和表面粗糙度都較高，這就對(duì)加工機(jī)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(dāng)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(dá)到um級(jí)，在一些加工上甚至達(dá)到納米級(jí),在粗糙度上經(jīng)過(guò)改進(jìn)后其表面質(zhì)量可達(dá)到磨削級(jí)別。例如，在切削硬度為 HRC45～50的45#淬硬鋼時(shí)，當(dāng)切削速度達(dá)到800~850 m/min 時(shí)，其加工面的表面粗糙度值可以達(dá)到Ra0.1[2] ，完全可以以切代磨。 

　　針對(duì)閉式整體式葉輪，加之其外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料難加工，傳統(tǒng)的機(jī)床根本無(wú)法加工，五軸高速銑削加工則是當(dāng)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，而對(duì)于加工工藝更是需要我們深入地研究和探討。本文則結(jié)合了閉式葉輪的加工精度、外形結(jié)構(gòu)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(duì)此類(lèi)零件加工工藝的編制具有一定的參考價(jià)值。

1  閉式葉輪的建模[3-4]

　　建模是葉輪加工的基礎(chǔ)，建模的正確與否將直接影響后面的編程（編程是將模型導(dǎo)入編程軟件里，由計(jì)算機(jī)直接生成所需的數(shù)控程序）和加工零件的質(zhì)量。閉式葉輪建模難點(diǎn)在于葉片曲面的造型。利用大型的 CAD 建模軟件，根據(jù)特定的算法，主要是 B 樣條曲線(xiàn)來(lái)對(duì)葉片曲面造型。

Pro/E是美國(guó)PTC公司開(kāi)發(fā)的建模軟件，它集CAD/CAE/CAM于一體，是工業(yè)軟件領(lǐng)域的巔峰之作。Pro/E憑借其強(qiáng)大的三維實(shí)體造型和分模功能，已成為模具工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的設(shè)計(jì)軟件之一。本文應(yīng)用Pro/E 5.0的建模功能模塊，對(duì)閉式葉輪進(jìn)行建模造型。在Pro/E的建模中，通過(guò)B 樣條曲線(xiàn)來(lái)建立葉輪模型，且根據(jù)模型的精度要求進(jìn)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(guò)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(jī)床的研究和選擇

　　針對(duì)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(jī)床。而閉式葉輪的形狀復(fù)雜，故選用五軸加工。基于以上原因，故選擇五軸高速機(jī)床MIKRON HSM400U作為其加工機(jī)床。 如圖3，它的五軸是由X，Y，Z三個(gè)直線(xiàn)軸和B，C（繞Y，Z軸旋轉(zhuǎn)）兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，其工作范圍參數(shù)表1，驅(qū)動(dòng)進(jìn)給參數(shù)表2。

 

2.2   刀具研究及選擇

　　由于高速切削的線(xiàn)速度很高，傳統(tǒng)刀具已不能滿(mǎn)足在如此高速的選擇下加工零件。同時(shí)，刀具的夾持系統(tǒng)也需要改進(jìn)，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(dòng)平衡性以及好的重復(fù)裝夾精度。傳統(tǒng)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(diǎn)，已不能適應(yīng)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(jì)出現(xiàn)的HSK、HM等刀柄，質(zhì)量輕，動(dòng)平衡也很好，他們則適應(yīng)了高速旋轉(zhuǎn)的主軸。尤其是 HSK，它是譽(yù)為21 世紀(jì)刀具聯(lián)結(jié)技術(shù)的一次飛躍式改革。 針對(duì)本工件材料鈦合金TC4，最合適的刀具材料PCD和涂層硬質(zhì)合金，但PCD成本太高，此處選涂層硬質(zhì)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(yīng)用于鈦合金高速切削加工的球頭銑刀。

 

2.3   夾具設(shè)計(jì)

　　在數(shù)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(chǎn)品的加工質(zhì)量，又要方便裝夾，盡可能地提高加工效率[7]。

　　根據(jù)以上分析，本工序設(shè)計(jì)的夾具必須注意以下幾點(diǎn)： 

（1）本夾具為專(zhuān)用夾具，必須滿(mǎn)足零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高的特點(diǎn)。 

（2）根據(jù)所選機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，Y 向行程 240 mm，Z 向行程350 mm，夾具不能過(guò)大。

（3）夾具不能懸伸過(guò)長(zhǎng)，懸伸過(guò)長(zhǎng)時(shí)，當(dāng) B 軸處于90°左右位置時(shí)會(huì)承受過(guò)大的力矩。但又不能懸伸過(guò)短，懸伸過(guò)短又會(huì)限制刀具的進(jìn)退和切削位置。 

（4）夾具要有足夠的剛性。 

　　根據(jù)本工序的夾具的定位、精度、空間和快速轉(zhuǎn)換的要求以及閉式葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜精度要求高，設(shè)計(jì)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(yàn)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(xué)特性，鈦合金的加工一直以來(lái)就是切削加工的難點(diǎn)。3.2  加工方法3.2.1  高速銑削

　　根據(jù)鈦合金的特點(diǎn)，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(diǎn)： 

（1）散熱好：由于鈦合金的熱導(dǎo)率很差，而高速切削正好彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，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(shí)也提高了零件的質(zhì)量。 

（2）可以降低加工表面的表面粗糙度：切削力是加工過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因，如果工件轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近機(jī)床的固有頻率，就會(huì)產(chǎn)生共振，將切削力無(wú)限放大，將破壞加工系統(tǒng)。工件加工

表面的粗糙度對(duì)機(jī)床的低階固有頻率最敏感，而高速加工系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)離機(jī)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(shí)，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(mǎn)足這一要求。 

（3）加工效率高：對(duì)于 TC4 鈦合金，由于它的材料特性，傳統(tǒng)加工效率極其低下，而高速銑削鈦合金的切削速度已經(jīng)能達(dá)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，普通的機(jī)床已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)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(shù)如下：

（1）粗加工：考慮粗加工表面粗糙度較大，尺寸精度不會(huì)太高， 粗定單邊留 0.5 mm 加工余量。此工序參數(shù)為表3，刀具為圓鼻刀，轉(zhuǎn)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(zhǔn)備。半精加工對(duì)表面粗糙度和尺寸精度要求較高，則為精加工預(yù)留0.05 mm余量。此工序參數(shù)為表4，其中刀具為球頭銑刀，轉(zhuǎn)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(shí)也要求不留余量。其參數(shù)如表5，其中刀具為球頭銑刀，轉(zhuǎn)速n=8 000 r/min，加工結(jié)果滿(mǎn)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(tǒng)的誤差。工藝系統(tǒng)誤差包含工藝系統(tǒng)原有誤差和加工過(guò)程誤差。前者包含機(jī)床誤差、加工原理誤差、刀具誤差和其他誤差來(lái)源（如夾具制造和磨損誤差），后者為工藝系統(tǒng)的受力變形、熱變形和本身的應(yīng)力變形。因此，做好上述問(wèn)題的分析是減少加工精度的必要條件。

4  結(jié)語(yǔ)

　　高速加工技術(shù)是當(dāng)今制造業(yè)的前沿發(fā)展技術(shù)，而五軸數(shù)控加工也是當(dāng)今發(fā)展的一個(gè)新的領(lǐng)域，對(duì)于鈦合金的加工卻一直是傳統(tǒng)制造業(yè)的一個(gè)難點(diǎn)。在此背景下，本文以鈦合金閉式葉輪的加工作為研究對(duì)象，探討了五軸高速切削技術(shù)在鈦合金加工中的應(yīng)用。提出五軸加工來(lái)加工此類(lèi)結(jié)構(gòu)復(fù)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。