鈦合金離心式整體葉輪加工工藝研究

前言

隨著柴油機性能的不斷提升和排放法規的要求愈發嚴格，內燃機車及船機用柴油機對增壓器壓比和效率的需求也在不斷提高。如中車大連機車研究所有限公司某型增壓器壓氣機標定工況壓比已經達到6.5，最大工作壓比超過7.0以上，而增壓器的性能主要取決于其核心部件離心式壓氣機葉輪(見圖1)，新型增壓器普遍使用空間曲面造型的整體式葉輪，由于其復雜的曲面結構，極高的精度要求，使得葉輪葉片成為最典型的難加工結構件，葉輪加工也素有“機械加工的巔峰競技場”之說，可見其在機加工技術上的典型代表作用，而葉輪直徑超過了350mm，當增壓器轉速達到30000r/min時，葉輪最外緣線速度已經超過1.5倍音速，而此處壓縮空氣的溫度也在250℃以上，這對離心式壓氣機葉輪的材料性能提出了巨大的要求，常用的鋁合金葉輪材料性能已經限制了增壓器的性能提升要求，目前，新一代高性能增壓器已逐漸使用鈦合金取代鋁合金制作壓氣機葉輪，以滿足愈發嚴酷的性能指標要求。鈦合金具有質量輕、強度高、耐腐蝕性好等優點，同時也因為材料的特殊性，加工難度也非常高。本文通過生產加工實踐積累，編制了鈦合金離心式整體葉輪加工工藝，分析生產加工細節中的刀具選擇、切削加工方式及參數應用等，解決生產加工中出現的問題，以使生產工藝更精準，加工效率和穩定性更高。

1、鈦合金材料加工特性

鈦合金材料在加工時切削力只略高于同等硬度的鋼材，但是加工鈦合金的物理現象要比加工鋼材復雜很多，因而鈦合金材料加工難度數倍增加，其主要原因是大多數鈦合金材料的熱導率都很低，只有鋼材的15%左右，鋁材的8%左右，因此，在加工鈦合金材料的過程中產生的熱量不能快速傳遞到工件或切屑帶走，會集聚在刀具的切削區域，產生的溫度最高可達到1000℃以上，高溫會使刀具刃口迅速磨損、崩裂或生成積屑瘤，加快磨損刀刃，刀具磨損后會使切削區域產生更加多的熱量，進一步縮短了刀具的使用壽命。加工過程中產生的高溫也會破壞鈦合金葉輪的表面質量，出現加工硬化現象。

2、鈦合金葉輪毛坯

因鈦合金材料價格較高，加工時刀具損耗大，編制加工工藝時，在保證加工質量的同時要盡可能減少葉輪鍛造毛坯加工余量，從而降低成本，提高加工效率，通過實際加工驗證，其毛坯加工余量單邊預留3mm，可保證加工的同時最大減少毛坯重量，視為最佳余量，如圖2所示。

3、粗車加工工序

首先通過數控車床工序粗加工整體葉輪、葉輪外子午線、葉背型線及葉背定位部位，保證其同軸度誤差小于0.05mm，因葉輪銑削加工工序，材料去除量達到70%以上，大量的材料去除，會出現應力集中釋放，造成葉輪加工后葉片變形量增大，通過多次驗證，車削粗加工工序最佳余量參數如下:葉輪的外子午線位置余量為0.6mm，葉輪外輪廓位置余量為0.5mm，葉背型線位置余量為1mm(見圖3)。

4、鈦合金葉輪葉片銑削工序

4.1銑削工序加工機床選擇

整體離心式葉輪為典型的五軸聯動加工部件，其加工機床必須具備五軸聯動功能，并具有良好的五軸聯動加工穩定性，鈦合金材料加工中刀具線速度一般較低，為提高加工效率，經常選用相對加大直徑的刀具，機床應具備良好的剛性，綜合上述需求，并結合公司的設備狀況，機床選用DMU80P臥式五軸加工中心，如圖4所示。

4.2銑削工序加工刀具選擇

在了解鈦合金材料加工特性的基礎上，結合以往加工經驗，在鈦合金葉輪加工的刀具選擇方面，首先應解決加工中刀具切削部位的散熱問題，應選擇正切削角的幾何形狀刀具，保持刀片刃口的鋒利，鈍的刀具是熱量增加和磨損的主要原因，容易導致刀具快速失效，保持刀片刃口鋒利可有效減少切削力產生，從而降低切削熱和葉輪葉片的變形;選擇大的刀尖圓弧半徑或倒角的刀具，盡可能讓更多的刀刃進行切削，可以減少每一個點的切削力和熱量，以防止刀具刃口的局部破損。還應選用有涂層的刀具，以增加刀具耐磨度，并可降低刀具積屑瘤產生，如機床等相應條件具備，可選用內冷刀具，采用高壓大流量切削液，直接作用于切削區域，可有效降低刀具切削高溫情況，減少因溫度過高而導致的葉輪葉片表面變型和刀具磨損，經加工驗證最終選用16mm直刃球頭涂層銑刀以及8mm球頭錐度4°涂層銑刀(見圖5)完成加工。

4.3程序及參數

離心式整體葉輪是典型的五軸聯動機床的加工部件，其加工程序復雜，必須借助CAM軟件進行編程，而主流的CAM編程軟件都針對整體葉輪加工，獨立設置了專用加工模塊，以降低編程難度。現采用CAM軟件的葉輪加工模塊完成葉輪銑葉型程序編程加工。

葉輪葉片精加工程序采用錐度球頭涂層銑刀，刀軸選擇繞葉片方式，加工余量為－0.02mm，切深0.25mm，轉速為刀具線速度Vc=60m/min，進給速度為fz=0.15mm，安全側傾角設為0.1°～0.3°，為最佳切削參數。

5、精車加工葉輪外子午線及葉背型線

在葉輪銑削加工后，用數控車床精車加工葉輪子午線、葉背工序，裝夾采用卡盤和漲胎工裝，保證兩端同軸度誤差在0.02mm以內，因葉輪葉片已加工完成，其葉輪子午線精車加工工序已成為間斷切削，其鈦合金材料間斷切削對刀具損耗增加，同時因葉輪葉片較薄，間斷切削也容易造成葉片沖擊變形，經加工驗證，葉片長度在40mm以內，葉片厚度在2mm以上，根據葉輪的旋轉方向，采用與葉輪葉片旋轉角相同的方向選擇加工旋轉方向，降低葉片沖擊變形，如果葉片長度超過40mm或葉片厚度低于2mm，需要在葉輪的葉片中間位置，增加填充工業橡皮泥支撐降低間斷切削變形。

6、結束語

通過加工實踐，對鈦合金離心式整體葉輪加工工藝進行了分析和總結，解決了新型鈦合金材料葉輪生產加工中出現的問題，現已生產多種型號鈦合金葉輪，通過新鈦合金葉輪生產工藝，生產更精準，加工效率和穩定性更高。