传统的叶轮生产一般都是采用铸造成型后修光的方法,这一方法具有材料利用率高、机械加工工时少、制造周期短等优点。但是由于叶轮的形状复杂,模具的制造难度大,这种方法就难以保证叶片的精度和强度,叶片的动平衡性能差。锻造的方法适合用于加工形状比较简单的叶片,但它不仅需要比较复杂的难以制造的模具,而且还不能进行整体叶轮的加工。电火花制造叶轮的特点是能够制造流道很窄的叶轮,但其加工生产效率很低,而且加工后的叶轮表面会产生一个重铸层,使疲劳强度降低因此电火花加工叶轮的情况比较少。上世纪70年代开始,人们开始使用石蜡精密铸造的制造工艺生产叶轮,并逐渐成为主流。石蜡精密铸造工艺不需要任何专门设备,而且可以达到比较高的精度,是一种低成本高效率的生产方法,目前,在叶轮的批量生产中,尤其是机械强度要求不高的叶轮制造中,仍然有许多厂家采用这种方法。在此期间,有一些厂家利用数控铣床在锻件铣削叶轮,但由于当时数控技术的限制,大多停留在三轴联动的水平上,生产出来的叶轮往往达不到要求的精度,其应用也日益普及,叶轮的数控加工受到了人们的高度重视。49755
日本在叶轮的数控加工方面走在了世界前列。早在上世纪70年代初,便采用了四坐标的方法加工叶轮。上世纪80年代中期,日本造船株式会社的植田勋就提出了以微机为中心进行离线编制离心压缩机叶轮的四坐标联动的控制加工程序。该系统没有采用APT系统,价格比较低,维修较容易。
上世纪90年代后,美国的NREC公司在叶轮的设计和制造方面是世界领先的。该公司生产的软件,涵盖了叶轮曲面设计到叶轮加工数控代码生成等各个方面,专业性很强。而且该公司的MAX-AB、MAX-5两个软件是专门用于整体叶轮的点铣和侧铣加工的编程。在软件中采用了三项美国专利来解决用侧铣加工非可展直纹面的误差问题。用数控编程时进行的处理工作来避免理论加工误差。同时,软件中针对不同的叶轮形式还设计了切削路径的模板,可以直接生成刀具路径,然后根据情况再进行调整,这样可以大大的节约编程时间提高效率。但是由于叶轮加工是军事工业的核心技术,我们一直未能得到其技术知识。
在我国,叶轮的数控加工起步较晚。叶轮类零件的几何造型和数控加工的研究,也取得了一些比较重要的成果论文网。如北航的赵宗平从1976年开始,利用衍生面代替复杂曲面方法在四坐标机床上加工了海豚直开机的离心压气机的整体叶轮:1987年,航空航天工业部608研究所在五坐标机床上以线接触加工方式完成了某型号离心压气机的整体叶轮,该叶轮材料为钛合金,叶片型面为不可展直纹面。上世纪90年代后期,我国的一些企业也先后在四坐标的机床上用点铣的方式加工出了整体叶轮,这也基本上代表了上世纪末我国叶轮数控加工的整体水平。
一般在整体叶轮的设计图上给出的是叶片中性面上顶部和根部的两组数据点,包括顶部和根部的一系列离散数据点和对应点的叶片厚度值。整体结构叶轮的应用可使发动机推重比、工作效率、寿命及可靠性大大提高,因此在各类新型发动机及大推力火箭发动机中应用愈来愈多,其加工质量的优劣对发动机的性能有着决定性的影响,而其叶片的形状又是机械中最难加工的曲面构成的。因此,整体叶轮的加工机械加工中的一个难题,一直到现在才使得有些方面得到解决。
国际上有许多工厂与我国的情况类似,也采用通用软件编制叶轮数控加工程序。但一些先进的多坐标数控机床生产厂商(如STARRAG)及专业的叶轮加工工厂(如美国的NREC)都推出了专用于叶轮的数控加工软件包,如国外一般用整体叶轮的五坐标加工专用软件,如美国NREC公司的MAX25,MAX2AB叶轮加工专用软件等,但对我国进行了技术封锁。国内大多数生产厂家采用国外大型 CAD/CAM软件,如UG NX, CATIA,MasterCAM等加工整体叶轮。不采用通用的CAD/CAM软件有一系列的优点。这是因为专用软件的生产厂商通常都有多年的叶轮加工和数控编程的经验,软件中针对不同特征的叶轮设计了刀具路径模板。对于叶轮加工中最易出现的干涉问题,也有了充分的考虑。这些都是通用软件所不具备的。另外,这些软件通常集成性好,可以和设计结果和工艺设计直接相连。作为专用软件,界面更为简洁、重点突出,利于设计人员掌握。这些程序尽管编程性能优良,但所包含的工艺信息都很少。一般只提供刀具尺寸表、转速表、进给率表等,而缺乏推荐的切削刀具与切削量,更没有如何减少加工变形的指南。