微小整體葉輪五軸聯(lián)動微細銑削加工試驗研究

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1、Manmmm。砌剛。gyf。m，脅。。。c。。州。nts發(fā)動機關(guān)鍵部件制造技術(shù)蕊究米梁志強，方亞楠，周天豐。高鵬，張素燕，劉志兵，王西彬(北京理工大學(xué)先進加工技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，北京100081)圈[摘要】微小整體葉輪作為微型發(fā)動機的重要組成部分，其加工質(zhì)量直接影響微型發(fā)動機的使用性能。針對微小整體式復(fù)雜葉輪流道狹窄、葉片扭曲大和長厚比大等特點，開展了微小復(fù)雜扭曲整體式葉輪五軸聯(lián)動微細銑削加工方法研究。針對微小葉輪加工過程極易發(fā)生變形、過切和碰撞干涉等問題，對微小葉輪的加工過程進行工藝規(guī)劃，建立了微小葉輪流道加工刀具選擇的約束方程，計算出葉輪加工刀具的最大理論直徑

2、。通過CAM軟件對葉輪進行切削仿真，驗證了刀具選擇和工藝規(guī)劃的正確性。通過五軸聯(lián)動微細銑削試驗，得到了具有6個直徑10mm的葉片、葉片最小厚度0．15mm、葉片最小相鄰間距0．58mm的7075鋁合金微小整體葉輪。關(guān)鍵詞：微小整體葉輪；五軸加工；微細切削；刀具選擇DoI：10．16080／j．issnl671．833x．2017．15．045梁志強博士、副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為難】j,-r材料切削磨削技術(shù)、微細刀具設(shè)計與制造技術(shù)。t基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51575049：51375055)和國家重點基礎(chǔ)研究計劃項目(2015CB059900)。近年

3、來，隨著MEMS技術(shù)、新型材料技術(shù)、微加工技術(shù)、微型傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，各種飛行器開始出現(xiàn)微型化的趨勢。微型渦輪噴氣發(fā)動機作為各種微型飛行器的動力來源，被稱為整個微型飛行器的“心臟”，在航空技術(shù)發(fā)達國家得到了高度的重視。微型渦輪噴氣發(fā)動機體積小、重量輕、功率大、能量存儲密度高，是一種具有良好應(yīng)用前景的新型噴氣推進動力裝置?。微小整體葉輪作為微型發(fā)動機的重要組成部分，屬于典型的微小復(fù)雜零部件，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣必將對微型發(fā)動機的使用性能產(chǎn)生重要影響，因此對其加工技術(shù)的研究勢在必行。美國麻省理工學(xué)院的燃氣渦輪實驗室于2003年采用MEMS技術(shù)加工出了直徑為21mm，厚為3

4、．7mm，轉(zhuǎn)速為1．2×106r／min的微型渦輪發(fā)動機，其微型渦輪的葉片采用直壁結(jié)構(gòu)，直徑為4mm【2】。比利時魯汶大學(xué)于2004年采用電火花成形加工方法研制了不銹鋼材料的微型渦輪發(fā)動機，其中壓氣機葉輪為非直壁結(jié)構(gòu)，直徑為20mm，包括10個長葉片和10個短葉片【3l。英國學(xué)者Heatonf4I于2005年采用受激準分子激光在PMMA材料上加工出微小渦輪盤?；谒兄频奈遢S微小型立式銑床，韓國學(xué)者Bang等睜1于2005年使用直徑200ixm硬質(zhì)合金平頭立銑刀，在黃銅工件上加工出了直徑800肛m的微型直壁葉輪。比利時魯汶大學(xué)于2009年基于微銑機床KernMMP，采

5、用UGNX3／CAM進行數(shù)控編程，通過五軸銑削加工制備出了直徑20mm的鈦合金材料的壓氣機葉輪呻l，其中采用了直徑lmm和0．5mm的硬質(zhì)合金球頭銑刀對葉輪的不同部位進行加工。13本東北大學(xué)采用微磨削、車削以及電火2017年第15期·航空制造技術(shù)45一鬻超≮艇釤論壇花的方法研制出了微型燃氣渦輪發(fā)動機一曲】，其直徑為lOOmm，長度為150mm，并通過測試發(fā)現(xiàn)該發(fā)動機可以實現(xiàn)3．6X105r／min的轉(zhuǎn)速，其中壓氣機葉輪的直徑為16mm，渦輪葉輪的直徑為17．4mm。哈爾濱工業(yè)大學(xué)董穎懷等”¨111于2009年設(shè)計了一種三維結(jié)構(gòu)的離心式壓氣機，采用微細電火花銑削加工方法

6、，得到了具有良好表面質(zhì)量和精度的三維金屬微型壓氣機，該壓氣機有8個葉片，直徑為3mm，高度為1．5ram，葉片的出口高度為0．4mm，厚度為0．1mm；微型渦輪葉片的直徑為2．9mm，葉片高0．4mm，葉片厚度為0．1mm。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Zhang等【12—31于2010年通過自行研制的5軸微銑機床，加工出了直徑為20ram的微小型葉輪；并于2012年對微小型閉式整體葉輪進行了研究，該微小型葉輪的尺寸為'／)20X14(mm)，相鄰兩個葉片間的最小距離僅為2．3mm；利用uG／cAM軟件生成了葉輪的加工軌跡，并利用Vericut仿真軟件對微小型葉輪的刀路軌跡進行了加

7、工仿真。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Geng等【141于2014年采用微細電火花加工技術(shù)，加工出了微型發(fā)動機轉(zhuǎn)子模具，然后通過擠壓成型，加工出直徑為6mm的微小直壁葉輪，葉輪葉片的厚度為0．3mm，高度為O．832mm。鑒于五軸微細銑削方法在復(fù)雜零部件加工中的眾多優(yōu)勢，開展了微小整體葉輪五軸聯(lián)動微細銑削方法的加工研究?；贑AD軟件SolidWorks對微小整體葉輪進行三維建模，該葉輪的直徑為lOmm，有6個相同的扭曲葉片，葉片最小厚度為0．15ram，兩相鄰葉片間的最小距離為0．58mm。利用CAM軟件PowerMill生成微小整體葉輪加工的刀路軌跡，并對刀路