CN104741670A - 一种半开式叶轮固定空间矢量刀轴的插铣加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半开式叶轮固定空间矢量刀轴的插铣加工方法，主要应用于透平压缩机和航空发动机的叶轮、叶盘类精密零件机械加工，属于一种较高金属去除率的数控加工方法。在五轴联动数控加工中心上，通过固定两个旋转轴A、B轴，只有机床的三个直线轴X、Y、Z轴运动，从而增加数控机床的刚性，通过固定空间某一矢量刀轴，使用带有CVD化学涂层的硬质合金刀具，对半开式叶轮流道进行插铣加工。本发明可以解决五轴联动铣制半开式叶轮时效率低下的问题，可以提高叶轮的粗加工效率，降低生产成本，满足高温合金、钛合金等难加工材料的叶轮、叶盘类零件的高精度制造需求。

Description

一种半开式叶轮固定空间矢量刀轴的插铣加工方法

技术领域

本发明属于数控加工制造技术领域，涉及一种机械零件的机械加工方法，具体的是涉及一种半开式三元叶轮在五轴联动数控加工中心上使用空间矢量固定刀轴方向插铣的数控加工方法。

背景技术

半开式三元叶轮作为动力机械的关键部件，广泛应用于航空、航天、导弹、能源化工等领域，其数控加工技术一直是机械制造业中的一个重要课题。半开式三元叶轮作为透平压缩机中唯一对工作介质做功的部件，主要运行在高温、高压、高腐蚀的介质中，其材质主要为FV520B（美标的17-4PH材料）、KMN等不锈钢锻件构成。半开式三元叶轮作为离心压缩机的心脏设备，主要应用于大型乙烯、空分、炼油等大型工程制造领域，叶轮的加工制造技术属于典型的薄壁难加工零件。

由于半开式叶轮的叶片是在空间呈不规则三维扭曲，只能使用五轴联动加工中心铣制或者电解加工。目前半开式叶轮常采用五轴联动分层铣削流道的加工方法，由于机床的五轴联动加工，加工周期较长，效率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种半开式叶轮在五轴联动加工中心上固定空间某一矢量刀轴进行插铣加工的方法。使用此种加工方法，提高了叶轮的加工效率，缩短了加工周期，降低了企业生产成本。使用空间矢量固定插铣刀轴，保证了叶片加工表面余量均匀一致，便于后续精加工叶片。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种半开式叶轮固定空间矢量刀轴的插铣加工方法，该方法是在五轴联动的数控加工中心上，固定机床的两个旋转轴A、B轴，只有机床的三个直线轴X、Y、Z轴运动，增加数控机床的刚性，使用带有CVD硬质合金涂层的插铣刀，通过计算分析来确定合理的刀轴矢量，插铣刀在此固定的刀轴矢量方向上铣制加工叶轮流道。所述的加工方法具体步骤如下：

（1）将半开式叶轮的流道拆分成若干个待加工区域

依据半开式叶轮流道在轴向方向上曲率变化，将流道分为若干个待加工区域，尽量保证待加工区域流道在轴向方向上的曲率变化较小，把切削起点和切削终点之间的轴向曲率变化控制在18.5%以内；

（2）合理选择硬质合金插铣刀具

根据流道尺寸选择所需直径的插铣刀，这样刀具的刚性较强，而且可以配合较长的刀杆便于插铣。由于插铣刀在设计时切削刃不过刀具中心，要防止插铣加工时刀具中心部位与叶轮发生碰撞，出现“顶刀”现象。插铣刀刀片表面为通过CVD制备的硬质合金涂层，它本身具有韧性好、寿命长的优点；所述插铣刀带有内冷孔（内冷却孔），保证断屑的快速排出。

（3）使用UG NX4软件确定刀轴矢量和规划刀路轨迹

依据步骤（1）确定的待加工区域，通过分析区域起点的轴向方向矢量和区域终点的轴向方向矢量，通过比对分析设计出介于两个轴向方向矢量的平均矢量，通过使用此平均矢量作为刀轴方向，通过设置相应软件参数，实现插铣加工；设置相应软件参数过程中，为了避免刀具的非切削的中心刃部分与叶轮发生碰撞，要设置切削步距小于刀具直径的45%。

（4）使用Vericut软件进行数控程序仿真

将步骤（3）生成的数控加工程序，通过专业的CAM仿真加工软件Vericut进行计算机模拟加工，在仿真过程中，如存在过切、干涉和/或碰撞等加工问题，则返回步骤(1)、(2)、(3)，直至无上述现象后进行步骤（5）。

（5）在五轴联动数控加工中心上，实际试切加工。

本发明有益效果如下：

1、本发明一种半开式叶轮固定空间矢量刀轴的插铣加工方法，解决了叶轮流道粗加工效率较低的问题，此种方法还用于加工高温合金类、钛合金类等难加工材料的叶轮、叶盘类零件。使用此方法，能够在叶片表面产生均匀的余量，便于后续精加工工序。

2、本发明利用五轴联动数控加工中心锁死两个旋转轴状态下，只有三个直线轴X、Y、Z轴运动，此时增加了机床的刚性减少切削振动，通过计算分析确定刀轴矢量，使用硬质合金刀具固定轴插铣叶轮流道加工，通过某一刀轴矢量插铣某一待加工区域，从而提高叶轮的加工效率。

3、本发明采用的固定轴插铣加工方法，是在空间中确定刀轴矢量，然后锁死机床的A、B轴，增加机床的刚性，从而保证在插铣加工后叶片两侧余量均匀，利用硬质合金刀片线速度高、采用CVD化学涂层增加刀片寿命。插铣加工的特点：刀具切削时轴向受力，可以有效减少由于径向力产生的振动，以实现长悬臂加工（长悬臂L/D<6DC）；插铣是目前金属去除率最高的加工方法，可以明显减少刀轨数量，缩短加工时间。插铣时一般采用内冷和外冷相结合，也可使用气冷。此方法保证提高叶轮加工效率的同时，不仅降低了生产成本，还满足了叶轮类产品的高精度制造要求。

4、本发明半开式叶轮在插铣关键点在于，合理选用硬质合金刀具和合理控制空间矢量的刀轴方向，保证叶片两侧余量均匀，便于进行后续叶片精加工工序，使用此种方法可以明显提高半开式叶轮、叶盘类零件的加工效率，缩短交货周期。

附图说明：

图1半开式叶轮三维示意图。

图2半开始叶轮计算分析UV曲率选取空间矢量刀轴。

图3本发明的步骤示意图。

图4专用插铣刀结构示意图。

图5为本发明插铣示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实例对本发明进行具体的阐述，本发明通过此实例进一步详细说明，但不局限于此实例。

本实例的半开式三元叶轮具体尺寸、材料和加工参数如下：

叶轮的最大回转直径Φ1000mm

叶片数17个，圆周分布

叶尖的最大厚度5.5mm

叶片的最大厚度13.33mm

叶轮的出口宽度66.76mm

叶轮材料：马氏体沉淀硬化不锈钢

插铣刀的加工参数：

1）通过MAX-PAC软件生成叶轮的IGS模型如图1所示，在UG NX4.0软件中建立叶轮的实体模型，区分叶轮流道的毛胚体和流道的保护面，根据叶轮出口位置将流道的毛胚体分成2个待加工区域，进口流道和出口流道，用边界曲线将两部分区分开。以出口流道为例，将切削起点和终点的轴向方向母线进行提取，根据两条母线的曲率变化情况，新建一条介于两条母线曲率之间的线，作为空间矢量的刀轴如图2所示。

2）选取国外进口的seco硬质合金插铣刀，使用直径为Φ50mm的专用插铣刀和harmer热缩刀柄，seco的Φ50插铣刀采用16mm宽的刀片，刀片采取横卧式安装，刀片设计的最大切宽是15mm，Vc=200m/min,切削时S=700，F=400(刀片是CVD的TiN涂层)，如图4所示。

3）采用UG编制定轴插铣加工程序，机床采取五轴三联动的方式加工，锁死两个旋转轴A、B轴，以此来增加五轴机床的刚性。插铣加工时要防止顶刀现象的发生，以前使用NREC软件试验插铣时会经常顶刀，主要是由于专用插铣刀的刀片没过中心刃（设计插铣刀时主要考虑装刀片后刀具刚性强度，刀片没过刀具的中心），而造成插铣刀具中心的非切削刃的部分与叶轮碰撞，在使用NREC编制的插铣程序刀具是随着轮毂面刀轴变化，这就很容易发生顶刀。采用UG定轴插铣根据叶轮流道的曲率变化，计算分析叶片的UV曲线的曲率变化，选取切削起点和切削终点之间的轴向矢量作为刀轴的矢量，如图4所示，由于刀轴固定，步距在叶轮流道分布合理，刀具刀片始终与叶轮进行接触切削，从而避免发生顶刀现象，在实际切削时机床振动很小，机床的切削功率稳定在18%以内。

4）生成的刀路轨迹经过Vericut软件进行计算机模拟仿真加工，检查仿真过程中是否有过切、碰撞等，以及切削步距不合理等现象，避免插铣刀的非切削的中心刃与叶轮发生碰撞，如有上述问题可以从步骤1处开始重新调整，最终生成合适的数控程序。

（5）在五轴数控加工中心STC1250上实际试切加工

在瑞士斯达拉格公司生产的五轴数控加工中心STC1250上，装夹叶轮，按外圆打表找正使叶轮的回转中心与机床的回转中心一致，并设置叶轮的偏执高度与机床的G54一致，然后设置机床的刀具长度，并实际试验加工。

本发明采用在五轴联动数控加工中心固定一空间矢量刀轴的方法插铣半开式叶轮流道，如图5所示，合理选取专用进口插铣刀的切削参数，插铣时大量去除流道内的毛胚体，分析叶片的曲率变化，采用UV曲线分析叶轮流道的轴向曲率变化，固定空间矢量刀轴进行插铣加工，缩短了叶轮的加工时间，降低了企业的成本，提高了企业的核心竞争力，也解决了半开式叶轮加工效率较低的问题，为难加工的高温合金、钛合金材料的叶轮、叶盘提供了可参考的加工方法，本发明也可应用加工整体的叶盘和轴流式叶轮。

Claims (5)

1.一种半开式叶轮固定空间矢量刀轴的插铣加工方法，其特征在于：在五轴联动的数控加工中心上，固定机床的两个旋转轴A、B轴，只有机床的三个直线轴X、Y、Z轴运动，增加数控机床的刚性，使用带有CVD化学涂层的硬质合金插铣刀，通过计算分析来确定合理的刀轴矢量，插铣刀在此固定的刀轴矢量方向上铣制加工叶轮流道。 

2.根据权利要求1所述的固定空间矢量刀轴的插铣加工方法，其特征在于：所述的加工方法具体步骤如下： 

（1）将半开式叶轮的流道拆分成若干个待加工区域 

依据半开式叶轮流道在轴向方向上曲率矢量变化，将流道分为若干个待加工区域，把切削起点和切削终点之间的轴向曲率变化控制在18.5%以内； 

（2）合理选择硬质合金插铣刀具 

根据流道尺寸选择所需直径的插铣刀，插铣刀刀片表面为通过CVD制备的硬质合金涂层； 

（3）使用UG NX4软件确定刀轴矢量和规划刀路轨迹 

依据步骤（1）确定的待加工区域，通过分析区域起点的轴向方向矢量和区域终点的轴向方向矢量，通过比对分析设计出介于两个轴向方向矢量的平均矢量，通过使用此平均矢量作为刀轴方向，通过设置相应软件参数，实现插铣加工； 

（4）使用Vericut软件进行数控程序仿真 

将步骤（3）生成的数控加工程序，通过专业的CAM仿真加工软件Vericut进行计算机模拟加工； 

（5）在五轴联动数控加工中心上，实际试切加工。 

3.根据权利要求2所述的固定空间矢量刀轴的插铣加工方法，其特征在于：步骤（4）在仿真过程中，如果存在过切、干涉或碰撞等加工问题，则重新进行步骤（1）-（4），如无上述问题，则进行步骤（5）。 

4.根据权利要求2所述的固定空间矢量刀轴的插铣加工方法，其特征在于：步骤（3）设置相应软件参数过程中，为了避免刀具的非切削的中心刃部分与叶轮发生碰撞，要设置切削步距小于刀具直径的45%。 

5.根据权利要求2所述的固定空间矢量刀轴的插铣加工方法，其特征在于：所述插铣刀带有内冷孔，保证断屑的快速排出。