渦輪葉片加工工藝研究報(bào)告
強(qiáng)度和剛度：加工余量的選擇會(huì)影響葉片的內(nèi)部應(yīng)力分布。如果余量不合理，可能導(dǎo)致加工后的葉片內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，影響葉片的強(qiáng)度和剛度。例如，余量過(guò)大時(shí)，切削去除的材料較多，可能會(huì)引起葉片局部過(guò)熱，產(chǎn)生熱應(yīng)力，降低葉片的強(qiáng)度。而余量過(guò)小，可能無(wú)法消除鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷，同樣會(huì)影響葉片的強(qiáng)度和剛度。
疲勞性能：渦輪葉片在工作過(guò)程中承受循環(huán)載荷，疲勞性能是其重要的性能指標(biāo)之一。加工余量的選擇不當(dāng)可能會(huì)導(dǎo)致葉片表面存在微觀缺陷或應(yīng)力集中，降低葉片的疲勞壽命。例如，余量過(guò)大可能使葉片表面粗糙度增加，容易產(chǎn)生疲勞裂紋的萌生點(diǎn)；余量過(guò)小則可能無(wú)法去除潛在的疲勞源，如微小的鑄造缺陷等。
高溫合金材料的難加工性：渦輪葉片通常采用高溫合金材料，這種材料具有硬度高、強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性差等特點(diǎn)，加工難度較大。加工余量的選擇需要考慮材料的加工性能，余量過(guò)大可能會(huì)增加刀具的磨損和加工成本，同時(shí)也會(huì)延長(zhǎng)加工時(shí)間，降低生產(chǎn)效率。而余量過(guò)小，可能會(huì)因?yàn)椴牧系碾y加工性而無(wú)法保證加工質(zhì)量。
材料的回彈變形：葉片片身比較薄，且為高溫合金材料，精密鍛造開(kāi)模后會(huì)出現(xiàn)不規(guī)律應(yīng)力回彈變形。加工余量的選擇需要考慮這種回彈變形的影響。如果余量過(guò)小，可能無(wú)法彌補(bǔ)回彈變形量，導(dǎo)致葉片加工后的尺寸不符合要求。而余量過(guò)大，又會(huì)增加加工成本和難度。
渦輪葉片是增壓器實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，其性能直接影響增壓器的效率、可靠性和使用壽命。葉片的形狀、材料和加工工藝決定了增壓器的性能指標(biāo)，如膨脹比、輸出功率等。
精密鑄造成型
葉片葉身不用加工，僅需磨削加工榫齒，加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。
但鑄造成型的葉片性能較低，適用于膨脹比低的增壓器。
鍛造成型
能夠滿足高膨脹比增壓器的性能要求。
然而，加工方法中葉片需留 4mm 以上加工余量，采用五軸加工中心銑削葉身型面，加工效率低且成本高。
先銑削加工葉片進(jìn)出氣邊的鍛造飛邊，然后通過(guò)緩進(jìn)磨床加工葉片根部榫齒，最后以榫齒定位夾持，用線切割機(jī)床去除葉片端部工藝定位點(diǎn)。
挑戰(zhàn)
進(jìn)出氣邊需要圓角過(guò)渡，對(duì)過(guò)渡形線精度要求嚴(yán)格，增加了加工難度。
葉片由曲面和斜面組成，重復(fù)定位精度有偏差。
葉片片身薄，存在應(yīng)力回彈變形，可能導(dǎo)致欠切或過(guò)切。
高溫合金材料難加工，加工剛性不足。
進(jìn)出氣邊曲面為空間曲面，需四軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)加工，對(duì)工裝要求高。
解決方案
采用四軸加工中心完成鍛造飛邊加工，降低成本。
設(shè)計(jì)定位準(zhǔn)確、夾持可靠的旋轉(zhuǎn)工裝。
編制合理的四軸葉片進(jìn)出氣邊曲面加工程序。
葉片曲面位置精密鍛造成型，留有 4mm 飛邊和工藝定位點(diǎn)，為后續(xù)加工提供基礎(chǔ)。
對(duì) DMG MORI 的 DMC63V 立式加工中心進(jìn)行改造，加裝第四軸成為四軸加工中心，采用 FANUC 0i MD 數(shù)控系統(tǒng)，提高加工的靈活性和精度。
考慮到葉片進(jìn)出氣邊的圓形曲面加工和工裝干涉問(wèn)題，采用 8mm 球頭銑刀，經(jīng)對(duì)比選用藍(lán)幟 LC630T 45A 球頭銑刀進(jìn)行粗、精加工。
使用 UG 軟件進(jìn)行三維建模、裝配驗(yàn)證、二維圖樣生成、程序編制及刀具路線模擬驗(yàn)證等工作，為加工提供全面的技術(shù)支持。
重復(fù)定位精度偏差問(wèn)題
由于葉片所有位置由鍛造完成，全部由曲面和斜面組成，使得重復(fù)定位精度難以保證。工藝定位點(diǎn)的局限性
葉片兩端的工藝定位點(diǎn)過(guò)小，只能用于輔助定位校準(zhǔn)，不能作為主定位裝夾使用。應(yīng)力回彈變形影響
葉片片身薄且為高溫合金材料，精密鍛造開(kāi)模后會(huì)出現(xiàn)不規(guī)律應(yīng)力回彈變形，導(dǎo)致加工編程難度增加。加工剛性不足
葉片片身薄和材料特性使得加工剛性不足，影響加工質(zhì)量和效率。空間曲面加工要求
進(jìn)出氣邊曲面為空間曲面，需要四軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)加工，同時(shí)要求工裝旋轉(zhuǎn)軸線與葉片模型中心軸線完全重合。加工刀具無(wú)干涉要求
四軸加工中心加工需保證加工剛性的同時(shí)，確保加工刀具無(wú)干涉。工裝的校正基準(zhǔn)需求
工裝需要具有旋轉(zhuǎn)軸心和角度位置校正基準(zhǔn)，以保證加工精度。懸伸過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題
旋轉(zhuǎn)式工裝存在懸伸過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，需保證工裝的剛性和與機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的連接剛性。
圓形主體設(shè)計(jì)
工裝采用圓形主體，可旋轉(zhuǎn)加工并具備旋轉(zhuǎn)軸心和角度位置校正基準(zhǔn)。與機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸連接，采用一夾一頂?shù)姆绞剑ＷC換模簡(jiǎn)單高效和加工剛性。與機(jī)床連接方式
在工裝下模板加工環(huán)形槽，與機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸的卡盤連接，確保工裝與機(jī)床連接的剛性。主定位夾持部位選擇
經(jīng)過(guò)多次三維掃描對(duì)比和測(cè)量分析，確定葉片大端榫槽兩側(cè)錐面為毛坯誤差最小位置，作為工裝主定位夾持部位。加工相符合的凹槽作為主定位基準(zhǔn)，兩端錐面保證葉片徑向定位，加兩個(gè)定位凸臺(tái)保證葉片軸向定位。夾緊方式設(shè)計(jì)
工裝設(shè)計(jì)連接上模，在上模板上攻螺紋。根據(jù)葉片曲面角度，采用螺栓壓緊方式夾緊工件，并去除工裝加工干涉位置。輔助支撐曲面設(shè)計(jì)
針對(duì)葉片片身薄和應(yīng)力回彈變形問(wèn)題，在葉片曲面位置按葉片設(shè)計(jì)模型加工出輔助支撐曲面。形狀按葉片葉背三維模型加工，保證與葉片葉背曲面完全貼合，通過(guò)多點(diǎn)位螺栓壓緊校正葉片變形，提高加工剛性和穩(wěn)定夾持。
啟動(dòng) UG 軟件，打開(kāi)葉片毛坯模型，進(jìn)入加工模塊。將坐標(biāo)系設(shè)置到工件榫齒下面中心位置，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)中心，并將 X 軸零點(diǎn)位置偏移到工裝后端面，方便加工中坐標(biāo)系建立。
采用多軸加工模塊中的曲面區(qū)域驅(qū)動(dòng)加工方式編制程序。由于只加工葉片進(jìn)出氣邊曲面，需創(chuàng)建兩個(gè)曲面片體作為驅(qū)動(dòng)加工的輔助編程曲面，保證與葉片模型進(jìn)出氣邊曲率等參數(shù)相同且大于需加工區(qū)域。
加工部件體選擇葉片模型，驅(qū)動(dòng)曲面選擇輔助編程曲面，投影矢量選擇垂直于驅(qū)動(dòng)體。為提高刀具使用壽命，刀軸選擇相對(duì)于驅(qū)動(dòng)體，調(diào)整側(cè)傾角度和旋轉(zhuǎn)角度，避開(kāi)刀具中心切削。側(cè)傾角度設(shè)置為 20°，旋轉(zhuǎn)角度 -10°，前傾角度 0°（四軸加工不能有前傾角度），旋轉(zhuǎn)軸選擇 X 軸。
生成刀具軌跡后，進(jìn)行刀具軌跡模擬。采用刀軌播放確定刀軌各位置狀態(tài)，用 3D 模擬加工后部件狀態(tài)，通過(guò)過(guò)切檢測(cè)功能確認(rèn)程序刀軌過(guò)切狀態(tài)。
通過(guò)設(shè)計(jì)四軸加工中心旋轉(zhuǎn)工裝和編制葉片加工程序，解決了葉片加工中的問(wèn)題。試制葉片經(jīng)掃描確認(rèn)，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)符合要求，一致性良好，現(xiàn)已批量生產(chǎn)使用。葉片加工成本比五軸加工降低了 78% 以上，效率提高約 2.5 倍，保證了生產(chǎn)周期，降低了產(chǎn)品加工成本。
本研究針對(duì)渦輪葉片加工工藝，特別是鍛造成型葉片的新加工工序進(jìn)行了深入分析和實(shí)踐。通過(guò)采用四軸加工中心、設(shè)計(jì)合理的工裝和編制精確的加工程序，成功解決了加工難度和成本高的問(wèn)題。同時(shí)，采用株洲湘冶切削工具有限公司生產(chǎn)的 RPMT1204MO-CG-CG9555 銑刀片和 R6 銑刀片，進(jìn)一步提高了加工效率和質(zhì)量。這一研究成果為渦輪葉片的加工提供了新的思路和方法，對(duì)推動(dòng)柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。