解析叶轮零件制造工艺设计
摘要：叶轮作为动力机械的主要部件应用在很多方面，其整体的加工质量直接影响着机械的整体性能，是这些动力机械的关键部件。因此，叶轮的加工制造技术是动力机械生产中的关键环节。本文主要介绍了叶轮零件的加工制造工艺方面的内容，希望对有关的专业人士能有所帮助。关键词：叶轮；制造工艺；设计 引言
叶轮是动力机械的最主要部件，在很多的领域都有所应用，例如：航天航空、水泵、离心机、发动机等，其加工制造质量直接影响着机械的整体性能。根据叶轮的几何结构以及相关工艺内容来看，加工叶轮时加工轨迹受到的约束的情况很多，由于两相邻叶片空间距离较小，加工过程中较易产生干涉的情况，因此，想要自动生成没有干涉的加工轨迹还是比较困难的。所以在叶轮的加工过程中除了要确保加工时叶片的加工轨迹准确性外，还要注意的是在加工过程中轨迹的规划要准确以保证加工的质量（受到叶片厚度限制）。随着科学技术水平的发展，对于发动机等动力机械的速度以及推重等要求越来越高，在很多的新型发动机中已广泛的采用整体式结构叶轮，这就要求我们要采用先进的数控加工仿真技术，可以满足加工种类多、加工难度较大的整体叶轮，从而降低叶轮的加工成本。
1 、叶轮零件的结构分析
1.1 叶轮结构介绍
整体式叶轮作为发动机等动力机械的关键部件对机械的整体性能有巨大的影响，叶轮的加工质量直接决定了动力机械的性能高低。整体式叶轮的大体结构如图1 所示。
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图1 整体叶轮基本结构图
其结构主要包括叶片和轮毂。其中的轮毂曲面主要是流线曲线围绕着旋转轴旋转而得到的。叶片曲面是由叶片曲线沿着旋转轴垂直的方向拉伸之后通过片体的增厚来实现的，在叶片上部的曲面是可以通过裁剪得出的。
整体式叶轮都是根据复杂的空间流体动力学理论进行设计得到的，其叶片是均匀分布在轮毂上的，叶片的形状也都与流体流动的规律相符合。整体式叶轮的叶片形状比较复杂，同时对其精度要求也比较高。整体式叶轮想要进行加工首先要按照叶轮的三维模型来进行编程，只有这样加工出的叶轮才能与设计的要求相符，才能符合机械整体性能要求。
1.2 叶轮几何结构特点介绍
对于整体式叶轮来说，为了达到最好的叶轮性能，在设计时常常是将叶轮的叶片设计成为一长一短的形式。但是叶轮的此种结构也大大增加了编程处理的难度，尤其是对于短叶片的处理，这就需要相关的编程人员合理解决刀具的轨迹问题。
叶轮叶片的正反两个面虽然是曲面，但是又是直纹面，这两个面分别被称为压力面以及吸力面。在此两个面的中间属于过度面，采用的是圆角形式。此过度圆角可以采用不同的形式来处理，例如圆弧、多段小圆弧以及椭圆形等等，曲率大小不一，根据设计不同可以适当调整。为了符合流体动力学方面的规律，在叶片的根部常常采用的是变圆角的处理方式。从叶轮的进口处算起叶片的根部圆角逐渐增大。之所以在叶轮进口处选择较小的圆角半径主要是为了降低阻塞损失，而在叶轮的中间位置采用较大的圆角主要是为了增加叶片承受应力的能力。
整体叶轮的叶片表面之所以存在不可展开的直纹面主要是由于曲面的扭曲较大造成的，就是指直线与叶轮盖和轮毂交点的法向方向是不同的。所以在进行程序编制时，如采用直线元方式对刀轴进行定义的话就很容易造成刀具切入到叶片，就会造成过切现象，所以整体式叶轮在采用此种方法加工时往往会存在一定的缺陷，主要表现在叶片的中间薄，两面的中间凹。
2 、叶轮加工方法的选择
（1）现阶段在国际市场上来看，在德国、美国等制造业强国大都研制出了专业的叶轮设计加工编程软件，这就使得整体叶轮的编程比较容易操作，编程人员只需输入叶轮的设计参数即可完成。这些软件对整体叶轮的加工来说比较方便，同时也使得整体叶轮的加工变得比较简单，同时加工成本也有一定的降低，加工周期也会大大缩短。但是开发此种软件需要较高的费用以及较长的时间，所以很多国家没有采用此种软件。我国对于整体叶轮加工往往都是采用通过CAD 软件进行编程，通过五轴联动机床进行加工的方式进行。
（2）叶轮之所以加工复杂就在于叶片的复杂曲面造型，所以能否较为准确的加工出形状复杂的叶轮已经成为衡量机床性能的重要标准。由于形成的原理不同，曲面可以分为直纹曲面以及非直纹曲面，直纹曲面又可以进一步分为可展开的直纹面以及不可展开直纹面。对于可展开的直纹面来说完全可采用非数控机床进行加工，而对于不可展开的直纹面
以及自由曲面叶片的叶轮来说，必须要采用四轴以上联动的数控机床才可能准确的将叶轮曲面加工出来。
（3）高档数控机床具有四轴或五轴的联动功能，所以用此机床加工叶轮除了可以确保刀具球头对工件的准确切削外，还可以通过转动轴的工作使刀体或者刀杆等部分避免对工件造成刮碰，避免发生干涉的情况。现阶段，我国已大量采用锻造毛坯之后通过多坐标的数控机床加工的方式来进行叶轮的制造，国内所采用的机床也都是具有国际水准的高
档四轴或五轴联动数控机床。
3 、叶轮加工工艺分析
3.1 叶轮材料的选择
由于对动力机械要求越来越高，所以对作为重要部件的叶轮要求也较高。叶轮所用的材料要具有较好的综合性能，对于材料的耐温性能、强度、塑性以及韧性等都有较高的要求。叶轮的材料要满足如下的要求：
①要具有较高的组织稳定性；②要具有足够的高温力学性能；③要具有较高的抗振动衰减性能；④要具有良好的耐腐蚀及抗冲蚀性能；⑤要具有良好的工艺性能。
对于五轴数控加工中心来说，可以一次加工完成轮毂和叶片。五轴数控加工技术的逐渐发展使得叶轮等复杂形状的部件可以整体加工出来，所以最好的毛坯是采用锻压件，这样的毛坯可以满足叶轮对于产品强度方面的要求，同时其曲面的误差较小，做动平衡时所要去掉的质量相对较小。除此之外，在航空发动机的应用领域，对于叶轮材料来说，除
了要保证零件具有足够的强度之外还要尽可能的降低零件的重量。对于此种应用的叶轮来说，综合考虑使用性能以及工艺性等方面可以采用铝合金、钛合金以及不锈钢等。
3.2 加工工艺路线的制定
（1）一般来说整体叶轮的曲面部分精度较高，实际工作中进行高速的旋转，因此对动平衡等方面的要求较高。根据叶轮的形状、材料以及结构等方面的特点来看：
①叶轮上的叶片长度是不同的，同时叶片为空间曲面，其扭曲程度
较高，同时具有一定的仰角，因此加工时刀具的相对摆动比较容易造成
相邻叶片切削干涉，所以要重点考虑刀具的切削方向。同时，曲面加工是
采用分段的形式进行的，所以应注意确保加工表面的一致性；
②由于叶片之间的空间较窄，加工空间有限，所以不能采用强度和刚度都较好的大直径刀具进行加工；
③在叶片的压力面和吸力面边缘曲率半径变化比较大，这就使得刀具以及夹具的角度变化都比较大；
④由于强度的需要，在叶轮轮毂以及叶片之间是通过倒圆角的方式进行过度的，此位置应该注意刀具的选择情况；
⑤由于叶片的厚度有限，整体上来说属于薄壁件加工，其刚性较差，所以在加工工艺设计上要充分考虑多工步反复加工叶片的方式，减小加工残余应力所造成的形变；
⑥由于叶轮的材料大多采用铝合金、钛合金以及不锈钢等，所以在设计加工工艺时要考虑提升整体叶轮的强度，因此叶轮的毛坯大多采用锻压件，之后进行基准面的加工。
（2）加工的刀具工艺设计如下：
车外圆—铣端面—钻中心孔—镗孔—插键槽—粗加工叶轮轮廓—粗加工叶片—粗加工流道面—精加工叶片—精加工流道面—磨棱角去毛刺。
在进行整体叶轮加工时，由于叶轮为叶片均匀分布的回转体零件，所以应该选择叶轮的底面圆心为工件的原点，这样可以大大简化工件的找正以及后处理的相关过程。加工之前根据叶轮整体的参数特征，基本可以确定相关的加工设备类型及型号，例如机床的型号、刀具的参数、夹具以及装夹方式等。在刀具的选择方面，五轴联动加工中心优先要采用平底刀进行加工，这样可以很好的降低由刀具原因造成过切以及干涉的情况。当需要对流道等空间较窄的位置进行加工时可选择锥度较小的平底铣刀，这样可以提升刀具方面的刚性。由于叶轮的流道加工余量并不是随着叶轮的型线均匀分布的，并且其切削的深度也是时时变化的，这样就使得刀具的受力比较剧烈，很大程度上降低了刀具的使用寿命，降
低了加工的质量，这需要编程人员对加工轨迹进行合理规划。对于流道的粗加工来说，需要分成不同的层次逐渐进行，沿着流道面的方向进行分割流道区域，可以使流道粗加工时不同层的厚度比较均匀，确保加工过程的稳定进行。
4 、结束语
叶轮作为动力机械的最主要部件，其加工制造质量直接决定着机械的整体性能。我国较为常见的叶轮加工方式是通过CAD 软件编制程序，通过五轴联动的数控机床进行加工，这就需要相关的编程人员在充分熟悉叶轮的结构参数的基础上编制合理的加工程序，通过数控机床的辅助加工出高精度的整体叶轮，进而提升动力机械的整体性能。
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