基于NREC的压缩机三元叶轮插铣数控加工

GXF360 2017-08-26

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基于NREC的压缩机三元叶轮插铣数控加工

沈阳鼓风机（集团）有限公司（辽宁 110869）刘磊

摘要：本文从离心压缩机、鼓风机的三元叶轮几何构造谈起，论述了五轴数控粗加工的高效铣削方法策略和关键技术，对于影响数控粗加工效率的主要因素进行了分析，对高速钢铣刀和硬质合金铣刀采用侧铣和插铣数控加工方法以及刀具选择进行简要叙述，指出了应该避免影响加工效率的因素和关键要点，并且通过大量三元叶轮实际加工总结出一种面向三元叶轮加工特征、考虑刀具寿命的粗加工策略，使三元叶轮加工的效率大幅提高，带来了较高的经济效益。

1. 问题来源

近些年由于我国石化和空分行业的快速发展，离心压缩机在石化、煤化工、空分及制药等工程领域的应用越来越广泛，三元叶轮作为离心压缩机的核心转动做功部件，其设计和制造精度要求较高，如何能适应高精度、高效率的数控加工三元叶轮，一直是透平机械制造领域需要解决的重要课题。

三元叶轮作为透平机械的核心零部件，是一种具有代表性且造型比较规范的、典型的通道类复杂零件，其形状特征明显，叶片的压力面和吸力面形状涉及到空气动力学、流体力学等多个学科，叶轮大多工作在高压、高温、高转速的条件下，其叶轮旋转时具有很高的线速度，因此在材料选择上多为不锈钢、高温镍基合金或钛合金等难加工材料。

在目前的三元叶轮加工制造周期中，85%的时间集中在叶轮流道的粗加工工序中，通过多年的数控加工实践摸索出新的加工方法，本文主要从高效开粗方面运用新方法，解决三元叶轮加工效率较低的问题，从而降低生产成本，提高企业的竞争力。

2. 三元叶轮高效插铣粗加工关键技术

针对三元叶轮的特殊结构，通过使用专业C A M五轴数控NREC软件插铣模块，采取变轴矢量刀轴插铣方法，生成理想的刀路轨迹，根据叶轮流道的扭曲曲率，将流道分成不同的待加工区域，实现高效插铣粗加工。

（1）三元叶轮的几何构造。离心压缩机的三元叶轮根据叶片结构可以分为自由面和直纹面。直纹面的构造母线为直线；自由曲面的叶片则是由工作吸力面和工作压力面上离散的数据点组成。两种结构的叶轮几何结构均由叶片吸力面、压力面、圆头、轮毂及叶片圆角等几部分组成（见图1）。

由于三元叶轮其工作介质为高温、高压、腐蚀性气体，其材料一般是由FV520B、KMN不锈钢和Inconel 718高温合金钢构成，材料硬度高且难加工。叶片在空间上呈不规则三维扭曲状。

图1 三元叶轮几何构造
1.轴盘线 2.盖盘线 3.圆头4.吸力面和压力面 5.轮毂

（2）插铣的技术优势。插铣法又称Z轴铣削法，切削效率比传统的铣削高4～5倍，尤其在难切削材料的大去除率方面有优势（如高温镍基合金Inconel 718或钛合金），是实现高切除率金属切削最有效的加工方法之一（见图2）。插铣可以理解为从钻铣演变而成的，钻铣是利用钻头实现切削，而插铣刀一般的设计都是刀片不过中心刃的，为了增加刀具的刚性，编程时一定要考虑切削时工件不能过中心刃，否则刀头损坏机床报警。插铣时具有以下特点：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。

（3）三元叶轮插铣粗加工关键技术。根据三元叶轮在空间的扭曲特点，将叶轮流道分为进口和出口两个部分，分别进行插铣加工。

图2 插铣

对于如何应对三元叶轮高效粗加工，需要考虑几方面因素：机床的刚性、刀具材料、零件材料特性、机床进给、主轴转速、刀具切深、刀具切宽及刀路轨迹等多方面因素，把这些要素都综合考虑，才能高效率加工三元叶轮。本文主要对三元叶轮的切削加工和数控刀具选择进行说明，对于目前的三元叶轮大致有两种粗加工方法，一种是径向铣，如小切深高速铣；另一种是插铣，三元叶轮的粗加工无论是采用侧铣和插铣（见图3），对于常用的刀路轨迹加工方法，主要是使用大直径的刀具近心宽区域的加工，用小直径铣刀铣削窄的部分，尽量减少刀轴角度的剧烈变化，使刀路轨迹在一定区域内进行运动，这样可以减少加工时间；对于开阔的区域尽量使用大直径铣刀，尽量使刀轴变化连续光顺，这样可以减少参与运动的旋转轴；在运用硬质合金刀具进行插铣时，主要使刀具受轴向力进行铣削加工，减少径向受力，可以明显地减少刀具在切削过程中所产生的振动，刀具走刀时会从叶轮的盖盘运动到轴盘，大量去除叶轮流道余量，在插铣刀进行加工时，通过机床内冷系统喷出的切削液会直接带走切屑，这样可以明显提高进给量和延长刀片的使用寿命（见图4）。

在运用插铣刀具（见图5）时，需要考虑数控刀具在刀具中心是否有切削刃，如果刀具底面中心没有切削刃，那么在中心处切削速度为零，如果没有设置好切削宽度和步距，造成刀具中心与零件接触，将在零件的表面造成“顶刀”现象（见图6），即刀具的中心刃和零件硬碰硬。