离心叶轮的优化加工工艺研究-职业学院毕业论文

黑龙江职业学院毕业设计黑龙江职业学院毕 业 论 文 （设 计）设计题目：离心叶轮的优化加工工艺研究姓 名 郭晓慧 学 号 1401010410 专 业 机械制造与自动化 班 级 2014级机械4班 指导教师 刘 波 学 院 机械工程学院 答辩日期 2017 年06月02日 II离心叶轮的优化加工工艺研究摘 要整体离心叶轮是一类具有代表性且造型比较规范的，典型的通道类复杂零件，工作型面涉及空气动力学，流体力学等多个学科。工作转速一般为40000-7000转/每分钟，工作温度一般为400-700摄氏度。因此对于离心叶轮的加工手段，精度，和表面质量有着极高的要求。对于它的加工工艺的研究和改进有着很大的实际意义。本文主要针对某离心叶轮进行如下研究：研究叶轮铣削加工，利用VERTCUT对铣削加工进行仿真，对加工定位方式，刀具，程序等进行参数优化，减少质量问题，提升叶型加工效率，叶型表面粗糙程度和表面完整性，对叶轮外形轮廓，小端，小端外径合并加工，对叶轮大端，小端外径 磨削加工进行以车代磨，通过普通和数控车削两方面进行研究，提高加工效率，产品质量，减少机床排产等待时间。 此外，叶轮加工还属于薄壁类零件，加工过程中极易出现变形，给加工带来了极大的不便。属于难加工，易变型零件。因此,我们以某型号叶轮为对象,进行了优化方案的研究.关键词：叶型铣削 磨削烧伤 酸蚀检验 以车代磨 难加工 易变形Study on optimum processing technology of centrifugal impellerAbstract Overall centrifugal impeller is a kind of representative and modelling is more normative, typical channel complex parts, working profile involves the aerodynamics, fluid mechanics, and other disciplines. Work speed generally is 40000-7000 revolutions per minute, working temperature is 400-700 degrees Celsius. So for centrifugal impeller machining method, precision, and has a high surface quality requirement. For its processing technology research and improvement has great practical significance.In this paper, we study a centrifugal impeller for the following: the impeller milling, milling to make use of VERTCUT simulation, locate mode of processing, cutting tools, procedures, etc, parameters optimization, reduce the quality problem, enhance leaf type processing efficiency, leaf surface roughness and surface integrity, the outline shape of impeller, small end, merging processing, small end diameter of impeller big end and small end diameter to drive the car generation of grinding mill, through the research of two aspects of common and the numerical control turning to improve the machining efficiency, product quality, reduce machine tool production scheduling waiting time.At the same time, the impeller machining also belong to the thin wall parts, machining deformation appear easily in the process, brought great inconvenience to processing. Belongs to the difficult processing, flexible type parts.Therefore, we use a type impeller as an example, the study of optimized scheme.Key words: Profile milling Grinding burn Acid corrosion test Car for grinding Difficult to processing Easy to deformation黑龙江职业学院毕业设计目 录摘 要IAbstractII第1章 课题概论11.1 研究目的和意义11.1.1 研究目的11.1.2 研究意义11.2 整体叶轮铣削难点2第2章 工艺难点及解决方案32.1叶型铣削难点及解决方案32.1.1 定位基准及解决方案32.1.2数控刀具解决方案42.2车削加工难点及解决方案42.2.1采用高精度数控磨床加工存在的问题62.2.2小端轴径、端面的普通车床加工72.2.3大小端轴径、端面及叶型外径数控车床合并加工7第3章 薄壁加工难点分析93.1 结构复杂93.2 变形严重93.3 加工经济性较低10第4章 加工措施124.1合理安排加工路线124.2合理编制数控程序124.3合理装夹12结 论13参考文献14附 录15致 谢16第1章 绪论1.1 研究目的和意义1.1.1 研究目的随着科学技术的不断进步和发展，越来越多的先进制造技术被应用到机械制造行业之中。军用、民用航空发动机在性能方面的要求更是引领机械加工制造的潮流，因此，在新型的发动机设计中越来越多的采用了整体叶轮结构。下图为某型号离心叶轮结构示意图。图1-1 离心叶轮结构图1.1.2 研究意义机械加工工艺流程是工件或者零件制造加工的步骤，采用机械加工的方法，直接改变毛坯的形状、尺寸和表面质量等，使其成为零件的过程称为机械加工工艺过程。加工的笼统的流程。 机械加工工艺就是在流程的基础上，改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使其成为成品或半成品，是每个步骤，每个流程的详细说明，比如，上面说的，粗加工可能包括毛坯制造，打磨等等，精加工可能分为车，钳工，铣床，等等，每个步骤就要有详细的数据了，比如粗糙度要达到多少，公差要达到多少。 技术人员根据产品数量、设备条件和工人素质等情况，确定采用的工艺过程，并将有关内容写成工艺文件，这种文件就称工艺规程。这个就比较有针对性了。每个厂都可能不太一样，因为实际情况都不一样。 总的来说，工艺流程是纲领，加工工艺是每个步骤的详细参数，工艺规程是某个厂根据实际情况编写的特定的加工工艺。1.2 整体叶轮铣削难点为了使离心叶轮能够满足机器运转时的气动性要求，叶轮的叶型面呈空间复杂扭曲曲面，且叶片之间的流道非常的狭窄，流道根部变圆角等复杂结构.因此,实现叶轮叶型的高效加工,高质量加工,这对叶轮的加工技术提出了更高的要求.同时也大大的增加了叶轮加工的难度。1 、某型号离心叶轮流道从叶轮的尾缘往前缘方向逐渐变窄,并且叶片长度较长.相对壁较薄,导致刚度大大降低.属于典型的薄壁易变形零件,加工过程中极易发生变形和扭曲。2 、由于叶片较薄,刀具伸出长度较长,加工过程中接触面积比较小,完全依靠铣刀刀尖部分与零件接触进行切削,导致加工过程中刀具出现振动,出现让刀情况,使叶片表面尺寸极易出现超差,并且降低叶片表面原始加工光度,为后续叶型抛光,磨粒流等工序增加了不小的难度。3 、叶轮为自由曲面,流道狭窄,叶片扭曲严重,在程序编制完成加工工程中极易发生刀具干涉,加工难度极高.针对机床、数控程序、刀具伸出长度利用仿真软件VERICUT加工模拟软件进行加工模拟,尽可能避免加工过程中出现干涉问题,进而提升产品的质量,提高加工的效率。因此,为了加工出合格的某型号离心叶轮,必须全面的综合地考虑到;零件本身、材料、设备、技术等等多方面的特点,研究解决方案,规划出一套完整的、合理的加工流程。第2章 工艺难点及解决方案2.1叶型铣削难点及解决方案为了更好的解决上诉的三个问题,需要制定出科学合理的加工工艺路线、合理的安排工艺基准、加工余量以及加工参数,加工路线安排的准确合理可以保证加工的稳定性，减少工艺基准转换和基准变形造成的精度损失，并能有效的降低加工难度，保证产品质量。叶型加工一般分为粗加工和精加工两种，对于某型号的离心叶轮选用两种不同的刀具，粗加工采用直径为6mm的刀具沿深度，从前缘往尾缘方向的分层铣削方式加工，在加工过程中要确保每一层的深度一致。叶片根部与流道面之间的残余量均匀，只有这样，才能保证后续精加工工序刀具减少让刀现象、震颤。通过实际加工，对加工路线进行逐步微调。更好地适应实际的加工和产品质量的提高。2.1.1 定位基准及解决方案对于定位基准的选择，在加工叶轮铣叶型工序时发现，定位面不平，0.02mm塞尺存在轻松进入问题，经反复测量定位面，最终找到了问题的原因，如图二所示位置对于定位基准的选择，在加工叶轮铣叶型工序时发现，图2-1定位基准图按图二直接找正在左侧大端面进行加工会对叶型轮廓度加工造成一定偏差，在进行实际加工中发现，叶轮大端面车削完叶轮型面之后，平面度会有0.02mm-0.03mm的变化，而平面度越往中心变化越小。所以将左端面大端内侧小端面定为基准，经过加工验证，结论正确。2.1.2数控刀具解决方案叶型的五轴机床数控加工，刀具的选择和使用是关键。通过分析零件结构以及在CAM软件中多次运算、仿真、为避免刀具干涉，选用锥柄球头铣刀。先利用直径为6mm的铣刀快速去除加工余量。而流道底部空间较为狭窄并且受叶片相对轮毂扭角的影响，使用直径为4mm刀具加工，考虑到叶片高度较高，刀具悬出长度较长，以增加刀具强度及避免过切。采用VERICUT软件进行仿真模拟，以确定最优刀长，即最大限度的减小切削振动，又尽可能的减小刀具伸长，以防止干涉。最终得到最优化的参数。如：刀号型号说明T1R216.52-06060RAL12G GC1630球头6R3/锥度3刀具悬出45夹头直径45T2R216.52-06060RAL12G GC1630球头6R3/锥度3刀具悬出45夹头直径45T3R216.52-06060RAL12G GC1630球头6R3/锥度3刀具悬出45夹头直径45表2-1 刀具参数2.1.3加工余量选择方案为了保证加工要求，减小叶片变形，降低叶片加工中的振动和让刀，需对叶型、流道等加工余量进行合理的设定。叶轮加工余量的大小，需要根据实际加工和要求和刀具、机床来设定，余量过大会增加加工时间，增大机床和刀具的负荷，余量太小在后续的车削外轮廓加工或叶型光顺过程中又不能修正之前造成的误差。不但影响加工零件的质量，还会影响零件的表面完整性，严重的还会导致零件的超差报废。2.2车削加工难点及解决方案定义：以车代磨是近几年慢慢流行起来的新技术。在车床上装夹豪克能刀具，车完后用豪克能刀具效果可以达到甚至超过磨床。而且省掉一道工序提高了效率。以车代磨是用车削加工的方式加工出达到磨削加工工件精度及比表面质量的一种工艺，由于该工艺在达到磨削加工精度以及表面质量的前提下，具有简化工艺流程，大幅度节约加工的时间和生产等待的时间的优点。从设备上来讲，车削加工设备比磨削加工设备更为平普遍，而随着科学技术和精密加工技术的发展进步，车床的精度越来越高，完全可以达到磨削加工所要求的精度，从刀具上来讲，现在稍微高强度，高硬度，高耐磨性的刀具材料（例如金刚石刀具，硬质合金涂层刀具等等）已经非常广泛地应用到车床加工之中。在某型号离心叶轮轴径的加工时，如图八，图九所示为离心叶轮轴径工序图，利用S40数控精密外圆磨床进行离心叶轮小端和大端轴径的加工。由于该机床所承担的生产任务、加工零件较多，生产所需要排产件号较多，等待加工时间较长，少则2-3周，多则1-2月。零件为钛合金材料，磨削性能较差，容易出现磨削烧伤。因此，要先对试验零件进行磨削加工，试验零件加工完成后还要进行磨削烧伤试验。加工周期比较长。因此，尝试以车代磨有着一定的实际意义。普通车床完全依靠人为操作，以车代磨可操控性更强，首先计划采用普通车床进行加工，在普通车床加工成功后，继续尝试用数控车床进行加工，针对如此精度的形位公差和尺寸要求，为了保证加工质量。需要使用高精度的夹具进行装夹加工，通过反复分析和与操作者的研究，最终确定方案为才用双顶加工方式，即使用两个顶尖进行加工。在试验过程中尝试对加工所使用刀具，加工中的切削参数进行摸索，选择合理的刀具及参数进行加工。图2-4 离心叶轮小端外径加工示意图图2-5 离心叶轮大端外径加工示意图数控车床以车代磨加工试验涉及到合并工序加工和叶片外轮廓加工，由于已经加工好叶片，外轮廓加工存在叶片变形、断续切削等问题，因此，在进行以车代磨加工试验的同时还需要对外轮廓加工参数进行优化。2.2.1采用高精度数控磨床加工存在的问题在现阶段采用高精度的内外圆数控磨床加工该零件，主要存在以下两个方面的问题：1、设备原因由于该机床属于公司关键设备，生产产品较多，需要进行排产，所以生产周期比较长，甚至长达1-2个月之久，这对生产进度造成了极大的冲击，严重影响了生产进度。2、材料原因零件属于钛合金材料，磨削性能较差，其特点如下：a、磨削力大，磨削温度高，磨削温度达到650摄氏度左右。磨削过程中变形复杂，生成叠状挤裂切削，产生表面裂纹。b、磨削时粘附严重，粘附物脱落可导致砂轮磨粒破碎与脱落，容易产生磨削烧伤和磨削裂纹。磨削完以后，还要进行烧伤检验，还会存在烧伤的危险，对于产品的使用存在一定风险。c、钛合金在高温中化学活性高，在一定的磨削温度条件下，钛能吸收大气的氧氢氮等起化学反应，钛在500摄氏度以上形成氧化钛，使表面层硬化，硬化变脆，降低了弹性，磨削时砂轮与工件之间相互扩散，导致砂轮氧化磨损。2.2.2 大小端轴径、端面的普通车床加工通过与磨床的加工对比发现，除了加工方式不同，也就是采用一个砂轮进行加工，一个采用车刀进行加工，其余的基本相同。装夹上都是采用穿心轴在两顶尖上进行加工，前顶尖都采用死顶尖进行装夹，无非是磨床后顶尖采用硬质合金死顶尖，而车床后顶尖是自回转活顶尖，由于活顶尖运转时会有旋转误差，加上自身的制造误差，在机床上用千分表进行实际检测，测量结果超过0.01mm（1道）以上，满足不了零件的精度要求，经过慎重考虑，决定从顶尖上着手，解决顶尖产生的误差。车削钛合金的效果会比磨削钛合金额效果要好，因为车削是不会产生较大的切削力和切削热的，不会产生表面裂纹和表面烧伤的现象，加工后发现零件表面粗糙度要好于在磨床上加工的表面粗糙度，有利于航空零件特别是高速旋转叶轮的安全性，由于车床采用的是活顶尖进行装夹，增加了加工误差。对此为提高零件的加工精度，在车床上也采用硬质合金死顶尖进行加工，由于材料是钛合金，加工时切削速度较低，故采用的主轴转速也不宜过高，与磨床的加工方式保持一致，但需要注意的是，在加工过程中在心轴中心孔中抹上黄甘油进行润滑，防止在加工过程中顶尖将心轴的中心孔研坏，从而影响产品加工精度。在普通车床加工时首先在自身机床上加工一个死顶尖，并将加工完成的死顶尖装至机床尾座上，然后将心轴安装在零件上用螺帽拧紧，放上鸡心夹箍，顶尖孔上抹上黄甘油，仔细检查顶尖，使其与心轴顶尖孔配合良好，并有足够的接触面积。这样，就可以将零件放到机床上进行车削了。加工后再偏摆仪上进行检测跳动值均小于0.005mm，能够满足加工要求。2.2.3大小端轴径、端面及叶型外径数控车床合并加工通过在普通车床上进行加工，吸取了很多成功的经验。以前加工采用分工序加工，分工序加工的缺点为多次装夹，多次找正，对刀，这就存在很大的误差，不利于实际加工，保证部分尺寸和形位公差较为困难，而且重复工作在很大程度上降低了生产效率。借鉴在普通车床上的加工经验，吸取多次重复装夹所带来的误差的风险和教训，并将其应用在数控车床TNA400上，并且再次基础上，将叶轮的大小端轴径、端面及叶型外径采用合并工序加工，如图10为叶型外径加工工序示意图，装夹方式仍然采用穿心轴在两顶尖上的方式进行加工。之前分工序加工需要多把刀具，合并三个工序只需要两把刀具就可以完成。刀具分别采用为左右偏刀个一把，即可以完成一次装夹，找正，对刀，一次性将三个工序合并加工完成。加工完成后经测量，满足设计的要求。大小端轴径、端面及叶型外径采用合并工序加工不但降低了磨削加工和多工序加工带来的产品超差率，提高了产品的合格率，而且又进一步提高了生产的效率。要图2-6离心叶轮叶型外径加工示意图第3章 薄壁加工难点分析之前我们说过，离心叶轮属于薄壁，尤其是其叶片，结构较为复杂，为不规则空间复杂扭曲曲面，加工过程中存在以下几点原因。3.1 结构复杂离心叶轮的叶片流道根部结构复杂，存在变圆角，流道狭窄等诸多情况，加工实施过程中存在诸多困难。且尺寸要求高，3.2 变形严重零件在加工过程中存在严重变形，影响零件的加工质量，给加工过程带来许多困难，而导致变形的主要原因有两种：a、应力释放变形零件的初始毛坯状态为类锻件，且为圆柱实体毛坯。在毛坯锻造后，毛坯内部会有残留应力。它主要是锻件内部受力不均匀引起的。锻件表层和心部或这一部分和那一部分变形不均匀造成的，在宏观范围内平衡的内应力，为宏观或第一类内应力，相邻晶粒之间或晶内部不同区域变形不均匀造成的内应力，为微观内应力或第二类内应力；位错、空位等晶体缺陷的增多造成的品格畸形变应力。为第三类内应力。塑性变形时外力所造所做功的绝大部分转化为热而散耗，只有不到10%的功转化为内应力而残留在锻件中，使内能增加。其中第三类内应力占绝大部分（90%以上），它是使锻件强化的主要因素。带一、二类内应力占的比例不大，但常使锻件受力时因内外应力的叠加而承载能力降低，并在随后应力松弛或发生重新分布时引起变形。正是由于锻件毛坯残余应力随着零件的加工过程而逐渐释放，引起零件变形。b、加工应力变形在零件加工过程中，当进行一般工艺加工时（包括车削、铣削、磨削等），在零件加工表面与刀具都存在挤压力，如图十二所示，零件本身具有抵抗这种加工力的能力。这种能力与零件的结构和剩余尺寸有密切关系。由于零件薄壁型腔的特殊结构，使得零件在随着加工过程中去除余量增加时，余量越来越少，壁厚尺寸越来越小，从而在加工过程中抵抗刀具加工应力的能力下降。尤其是当零件进行至精加工时，由于零件本身薄壁曲面的特殊结构使得零件加工面向已加工面变形，造成零件尺寸超差甚至报废。除此之外，由于薄壁曲面零件多断面结构，在加工时不可避免的会产生断屑加工，断屑加工对零件加工表面会产生一定冲击，影响加工质量，加之零件曲面壁厚浇薄，抵抗变形能力差，因此又进一步加大了零件的加工变形。c、装夹变形由于受自身结构限制，随着薄壁零件由毛坯状态到粗加工再到精加工的过程，零件壁厚逐渐减小，抵抗变形的能力逐渐下降。所以在加工过程中，不恰当的装夹方式会使零件产生变形，影响零件最终状态，甚至直接超差或报废。综合以上因素，零件在加工前后和加工过程中都会有不同程度的变形。而加工变形和装夹变形由于改变了零件内部应力平衡，还会促进应力释放变形，因此薄壁零件的变形问题比较突出。图3-1切削角度示意图3.3加工经济性较低由于受零件结构和尺寸限制：流道根部有圆角要求，且又为扭曲曲面，均有圆角要求。因此限制了刀具的选择范围。加工时，铣刀直径最大为4，圆角为R1.又因为零件的叶型原因，导致铣刀悬长27.考虑到刀柄及夹套结构，悬长30.而工序加工过程中，由于余量的存在，导致悬长进一步加长，而又因为零件的材料原因，又进一步增加了加工难度，在加工过程中，由于刀具直径较小，悬长较长，材质较硬，并且回转部分圆弧半径等于刀具半径，使得加工时刀具容易折断，提高了加工成本。第4章 加工措施经过对零件结构和材料及加工过程中易出现的各种情况的分析，为提高零件加工质量和加工效率，主要采取的方法和措施如下：4.1合理安排加工路线在编制工艺规程时，对图纸进行分析。毛坯为类锻件，零件最终硬度要求HBS293-388，因此工序间需要淬火和回火，提高零件硬度。但考虑到后续加工抗力较大，刀具难以承受，顾将此热处理安排在办精加工之前，又因零件去除较多材料，加工时易变形，精加工之前安排消除应力工序。，因此需要合理的安排加工路线：4.2合理编制数控程序在零件的加工过程中，在加工曲面叶型时比较难加工，由于叶型顶部到根部较深，间隔较小，必须采用专用刀具进行加工，刀杆较细且长，根据：VC=nDVC -线速度，根据材料和硬度选择70m/min n -机床转速，rad/minD -零件切削直径mm计算得出切削深度h=0.5mm考虑到刀具结构，最终选择机床转速S=400rad/min，单次铣削h=0.5mm，进给Fn=0.2mm/rad。并且考虑到存在排屑困难，刀具刚度较低，为避免刀具因铁屑缠绕而损坏，加工过程中增加排屑停顿，及时清理内部碎屑。4.3合理装夹由于零件壁厚较薄，装夹时容易产生变形。所以到半精加工和精加工时采用合理的装夹方式，使用长心轴配合软爪固定装夹，且软爪力度不宜过大。并配合适合的加工参数，使零件达到最佳加工状态。结 论利用普通车床和数控车床对离心叶轮的叶型，大小端轴径的加工。使产生效率大大提高，降低产生成本。与此同时，能通过运用现有的加工技术和机床设备，替代关键设备进行加工，也可以应用到其他零件中去，并为其他零件的加工提供了经验和借鉴方案。通过对离心叶轮的优化，我们总结出了几点导致其难加工的原因：结构复杂。尤其以其叶型为主，叶片间间隔极小，刀具要求高，存在圆角