钛合金整体闭式叶轮的五轴高速加工及研究

　　引言

　　高速切削加工是一种利用高速机床，减小切削力，提高加工质量和效率的金属加工方法。主要应用于硬度大、强度高，以及导热性能差等难加工材料。五轴高速铣削是当今发展的趋势，它将一些传统加工无法做到的变为了现实，主要用于加工像叶轮、涡轮等结构复杂的零件。

　　从材料上来说，钛合金闭式叶轮加工一直以来就是机械加工的难点。材料的比强度高[1]，导热性差，弹性模量小，化学活性高，其零件外形复杂且加工精度要求和表面粗糙度都较高，这就对加工机床，加工工艺，以及刀具和夹具等提出了很高的要求。高速切削加工是当今金属加工的主要方向，且加工精度高，表面粗糙度好,其尺寸精度能达到um级，在一些加工上甚至达到纳米级,在粗糙度上经过改进后其表面质量可达到磨削级别。例如，在切削硬度为 HRC45～50的45#淬硬钢时，当切削速度达到800~850 m/min 时，其加工面的表面粗糙度值可以达到Ra0.1[2] ，完全可以以切代磨。 

　　针对闭式整体式叶轮，加之其外形结构复杂、材料难加工，传统的机床根本无法加工，五轴高速铣削加工则是当代制造业发展的必然趋势，而对于加工工艺更是需要我们深入地研究和探讨。本文则结合了闭式叶轮的加工精度、外形结构和材料等多方面因素，提出了五轴高速加工、五轴高速加工工艺，对此类零件加工工艺的编制具有一定的参考价值。

1  闭式叶轮的建模[3-4]

　　建模是叶轮加工的基础，建模的正确与否将直接影响后面的编程（编程是将模型导入编程软件里，由计算机直接生成所需的数控程序）和加工零件的质量。闭式叶轮建模难点在于叶片曲面的造型。利用大型的 CAD 建模软件，根据特定的算法，主要是 B 样条曲线来对叶片曲面造型。

Pro/E是美国PTC公司开发的建模软件，它集CAD/CAE/CAM于一体，是工业软件领域的巅峰之作。Pro/E凭借其强大的三维实体造型和分模功能，已成为模具工业中应用最为广泛的设计软件之一。本文应用Pro/E 5.0的建模功能模块，对闭式叶轮进行建模造型。在Pro/E的建模中，通过B 样条曲线来建立叶轮模型，且根据模型的精度要求进行模型精度控制。首先是叶轮基体及流道面的建立，其次叶轮叶片和覆盖曲面的创建。创建的模型过程如图1（叶片和流道面），图2（叶轮模型）所示。

 

2    钛合金闭式叶轮加工工艺的研究

2.1   机床的研究和选择

　　针对本论文研究零件的材料是钛合金，一种难加工材料，故选用高速机床。而闭式叶轮的形状复杂，故选用五轴加工。基于以上原因，故选择五轴高速机床MIKRON HSM400U作为其加工机床。 如图3，它的五轴是由X，Y，Z三个直线轴和B，C（绕Y，Z轴旋转）两个旋转轴构成，其工作范围参数表1，驱动进给参数表2。

 

2.2   刀具研究及选择

　　由于高速切削的线速度很高，传统刀具已不能满足在如此高速的选择下加工零件。同时，刀具的夹持系统也需要改进，比如刀柄，就要求有很好的装夹刚度[5] ，好的几何精度，好的动平衡性以及好的重复装夹精度。传统的BT，ISO 等刀柄由于刚性不足，轴向尺寸不稳定，重定位精度不高等缺点，已不能适应高速加工的要求，已基本不在高速加工中使用[6]。而在21世纪出现的HSK、HM等刀柄，质量轻，动平衡也很好，他们则适应了高速旋转的主轴。尤其是 HSK，它是誉为21 世纪刀具联结技术的一次飞跃式改革。 针对本工件材料钛合金TC4，最合适的刀具材料PCD和涂层硬质合金，但PCD成本太高，此处选涂层硬质合金材料刀具，故我们选择刀具如图4所示,选用SCHAUBLIN高速加工刀柄和Fraisa应用于钛合金高速切削加工的球头铣刀。

 

2.3   夹具设计

　　在数控加工中，为保证零件的位置精度和比较高的加工效率，往往是一次装夹，完成多序加工，既要保证产品的加工质量，又要方便装夹，尽可能地提高加工效率[7]。

　　根据以上分析，本工序设计的夹具必须注意以下几点： 

（1）本夹具为专用夹具，必须满足零件结构复杂、精度要求高的特点。 

（2）根据所选机床的结构特点，Y 向行程 240 mm，Z 向行程350 mm，夹具不能过大。

（3）夹具不能悬伸过长，悬伸过长时，当 B 轴处于90°左右位置时会承受过大的力矩。但又不能悬伸过短，悬伸过短又会限制刀具的进退和切削位置。 

（4）夹具要有足够的刚性。 

　　根据本工序的夹具的定位、精度、空间和快速转换的要求以及闭式叶轮结构复杂精度要求高，设计出夹具如图 5，零件和夹具的装配如图6。

 

3   钛合金闭式叶轮加工的试验与分析

3.1   工件材料

　　本加工叶轮材料是钛合金TC4Ti-6Al-4V，属于 α+β 型钛合金[8]。由于钛合金特殊的物理和化学特性，钛合金的加工一直以来就是切削加工的难点。3.2  加工方法3.2.1  高速铣削

　　根据钛合金的特点，在零件加工中，高速切削是最优的选择，本课题选用高速铣削，其具有以下特点： 

（1）散热好：由于钛合金的热导率很差，而高速切削正好弥补这一缺点，高速　切削加工中能带走90%的热量，这样减少了工件和刀具的散热的同时也提高了零件的质量。 

（2）可以降低加工表面的表面粗糙度：切削力是加工过程中产生振动的主要原因，如果工件转动频率接近机床的固有频率，就会产生共振，将切削力无限放大，将破坏加工系统。工件加工

表面的粗糙度对机床的低阶固有频率最敏感，而高速加工系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，故能降低工件的表面粗糙度。此外，切削加工时，在一定速度范围里，切削速度越高，加工面的表面粗糙度就越低[9] ，而高速切削可正好满足这一要求。 

（3）加工效率高：对于 TC4 钛合金，由于它的材料特性，传统加工效率极其低下，而高速铣削钛合金的切削速度已经能达到200 m/min以上，其加工效率提高 5 倍以上[10]。

3.2.2  五轴加工

由于曲面结构复杂，普通的机床已经无法满足加工精度及加工效率要求，而五轴是必然选择。加工工序分粗加工、半精加工、精加工，具体加工参数如下：

（1）粗加工：考虑粗加工表面粗糙度较大，尺寸精度不会太高， 粗定单边留 0.5 mm 加工余量。此工序参数为表3，刀具为圆鼻刀，转速n=1 850 r/min。

 

（2）半精加工：半精加工是为了继续降低

表面粗糙度，为精加工做最后准备。半精加工对表面粗糙度和尺寸精度要求较高，则为精加工预留0.05 mm余量。此工序参数为表4，其中刀具为球头铣刀，转速n=6 000 r/min。

 

（3）精加工：精加工是最后一道工序，它在保证零件尺寸精度和表面精度的同时也要求不留余量。其参数如表5，其中刀具为球头铣刀，转速n=8 000 r/min，加工结果满足要求。

 

3.3  加工的精度影响

　　要保证零件的加工精度，就必须减少工艺系统的误差。工艺系统误差包含工艺系统原有误差和加工过程误差。前者包含机床误差、加工原理误差、刀具误差和其他误差来源（如夹具制造和磨损误差），后者为工艺系统的受力变形、热变形和本身的应力变形。因此，做好上述问题的分析是减少加工精度的必要条件。

4  结语

　　高速加工技术是当今制造业的前沿发展技术，而五轴数控加工也是当今发展的一个新的领域，对于钛合金的加工却一直是传统制造业的一个难点。在此背景下，本文以钛合金闭式叶轮的加工作为研究对象，探讨了五轴高速切削技术在钛合金加工中的应用。提出五轴加工来加工此类结构复杂的零件，最终确定五轴高速切削作为钛合金闭式叶轮加工的工艺方法。