叶轮加工精度影响因素分析及改进
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作者:王宗荣 季杨洋 李楠 孙鹏程 严金金
摘 要：随着科技生产的发展，越来越多的复杂曲面零件被要求应用于加工中，叶轮作为典型的复杂曲面零件代表，如何保证其加工质量与精度一直是技术难题。本文针对整体叶轮加工的一系列步骤，结合三维软件对叶轮加工进行模拟，从切削力、切削刀具以及进给量等一系列参数分析叶轮加工的影响因素，从而进一步提高叶轮加工的精度。
关键词：叶轮加工;加工精度;影响因素
文献标识码：A
1 叶轮加工特点及流程
传统的叶轮是由叶片均匀的分布在载体上，叶片顺这一定方向以曲线形式延伸，[2]叶片本体偏薄，通常采用车床切削的方式进行加工。
叶轮的加工主要针对于中部链接去、叶片整体、流量通道以及叶轮根部倒角四个部分。在加工的过程中我们通过一系列粗加工切除工件中大部分物料，随后通过设定定位基准、加工工序逐步对工件进行半精加工以及精加工。在所有加工步骤中粗加工主要针对去除大量预料，构造叶轮基础轮廓，半精加工主要针对粗加工中出现的毛刺、凹凸表面進行修补，使得叶轮整体更加光滑，精加工是最后针对叶轮具体部位进行加工，[3]确保整体叶轮的精确性以及综合性能的优良。
2 影响叶轮加工因素
2.1 叶轮材料的选择
在叶轮材料的选择上，传统的叶轮制造选取铝合金作为叶轮加工的主要材料，由于铝合金密度小，且不易腐蚀，但由于传统的铝硬度以及耐磨性较差，因此在叶轮加工时，常常会出现叶片变形的情况。因此本次叶轮加工选取7075作为叶轮加工的主要材料。7075是以锌为主要成分，约占整体成分的6%，相较于6061，7075具有更好的强度，且其耐腐蚀性同样优秀，适用于叶轮这种复杂曲面零件的加工材质。
2.2 刀具的选择
在叶轮加工的过程中，机床上的刀具起到至关重要的作用。在切削过程中，加工刀具的硬度与强度常常需根据加工步骤作出选择。若刀具整体强度偏小，当刀具接触加工件表面时，受到挤压力超出负荷导致刀具的变形，与预计切削量相差过大，从而导致叶轮表面过度加工或者加工程度低等情况，同时刀具在产生变形的过程中，由于刀具表面前后尺寸不一，导致加工表面粗糙，影响叶轮的加工精度。
在叶轮的加工过程中，由于其步骤目的不同，因此针对不同的工序，选取不同的刀具进行加工。在进行粗加工的过程中，由于需要切除工件上大部分材料，因此选择切削面较大的刀具进行切割，例如立式铣刀，从而提高加工的进度。在进行半精加工、精加工的过程中，我们通常选取切削面较小的刀具，提高切削表面光滑度以及切削精度。
2.3 切削参数设置
在进行叶轮加工时，我们需要对例如切削速度、进给量、背吃刀量等一系列切削参数进行设计。切削速度是指加工叶轮的过程中铣刀移动的速度，若切削速度过低会导致叶轮加工效率变低，不利于企业经济性要求，若速度过大则可能会引起加工刀具过度磨损或者加工时出现震颤的情况，从而导致加工表面粗糙度过高，影响加工精度。进给量往往针对工件加工有关，过大的进给量会导致工件形变严重，产生误差。背吃刀量在设计时应注意尽可能使背吃刀量契合加工件需要的切削余量，这样可以避免参数设置偏离正常范围，从而也能保证加工进度以及效率。
3 整体叶轮的仿真与加工
3.1 加工中心的选用
本次仿真加工选取的加工机床为五轴加工中心，相较于以前的三轴中心，五轴加工中心拥有多种结构形式和运动模式，随时调整所用刀具以及控制刀具工作角度，从而保障避免刀具使用时带来的干涉以及占位，大大提高整体的效率。
3.2 加工步骤确定及参数计算
3.2.1 毛坯余量粗加工切除
在加工叶轮时我们首先要对加工毛坯表面余料进行切除，由于本步骤仅仅涉及余料切削，对精度要求低，因此切削速度尽可能大，从而提高切削速度。
刀具线速度Vc=300m/min，n=1000VcπD
转速n=6000r/min，Vf=nZfz
n=6000r/min、Z=4、fz=0.1
解得Vf=3500mm/min。
切削方式采用跟随式，背吃刀量参数设为0.2mm，通过选取刀具自身长度的75%来制定刀具间的距离，切削时物件的侧面余量为2mm。
3.2.2 叶片半精加工
半精加工的走刀规划和粗加工相类似，只是用更小的刀具来进行加工，提高叶片的光洁度。取Vc=125m/min，fz=0.04，Z=3
代入公式n=1000VcπD
算得转速n=120000/min，Vf=nZfz，Vf=1000mm/min。
切削过程中刀的进给量设为刀具自身直径的30%。
3.2.3 叶片精加工
在之前加工的基础上，通过对叶片的精加工从而使得叶轮达到最终的要求成果。
取Vc=125m/min，fz=0.04，Z=3
代入公式n=1000VcπD
算得转速n=10000/min，Vf=nZfz，Vf=800mm/min
完成参数设置后导入三维进行仿真截图，将叶轮参数通过后置处理程序直接导入生成数控加工软件进行现场加工，通过现场加工情况所示，叶轮表面平滑，叶片完整，且加工精度符合产品要求。
4 总结
本文依靠UG三维软件对影响叶轮精度加工因素进行分析，从刀具选用、毛坯材料、设计参数等方面提出叶轮加工因素的可行性，从而保证其加工精度。
参考文献：
[1]胡忆沩主编.实用带压密封夹具图集[M].北京：机械工业出版社，1998.
[2]朱耀祥主编.组合夹具-组装，应用，理论[M].北京：机械工业出版社，1990.
[3]洪如瑾主编.UG NX2 CAD快速入门指导[M].北京：清华大学出版社，2004.
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