微小整体叶轮五轴联动微细铣削加工试验研究

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1、Manmmm。砌刚。gyf。m，胁。。。c。。州。nts发动机关键部件制造技术蕊究米梁志强，方亚楠，周天丰。高鹏，张素燕，刘志兵，王西彬(北京理工大学先进加工技术国防重点学科实验室，北京100081)圈[摘要】微小整体叶轮作为微型发动机的重要组成部分，其加工质量直接影响微型发动机的使用性能。针对微小整体式复杂叶轮流道狭窄、叶片扭曲大和长厚比大等特点，开展了微小复杂扭曲整体式叶轮五轴联动微细铣削加工方法研究。针对微小叶轮加工过程极易发生变形、过切和碰撞干涉等问题，对微小叶轮的加工过程进行工艺规划，建立了微小叶轮流道加工刀具选择的约束方程，计算出叶轮加工刀具的最大理论直径

2、。通过CAM软件对叶轮进行切削仿真，验证了刀具选择和工艺规划的正确性。通过五轴联动微细铣削试验，得到了具有6个直径10mm的叶片、叶片最小厚度0．15mm、叶片最小相邻间距0．58mm的7075铝合金微小整体叶轮。关键词：微小整体叶轮；五轴加工；微细切削；刀具选择DoI：10．16080／j．issnl671．833x．2017．15．045梁志强博士、副教授、硕士生导师，主要研究方向为难】j,-r材料切削磨削技术、微细刀具设计与制造技术。t基金项目：国家自然科学基金项目(51575049：51375055)和国家重点基础研究计划项目(2015CB059900)。近年

3、来，随着MEMS技术、新型材料技术、微加工技术、微型传感器技术的迅速发展，各种飞行器开始出现微型化的趋势。微型涡轮喷气发动机作为各种微型飞行器的动力来源，被称为整个微型飞行器的“心脏”，在航空技术发达国家得到了高度的重视。微型涡轮喷气发动机体积小、重量轻、功率大、能量存储密度高，是一种具有良好应用前景的新型喷气推进动力装置⋯。微小整体叶轮作为微型发动机的重要组成部分，属于典型的微小复杂零部件，其加工质量的优劣必将对微型发动机的使用性能产生重要影响，因此对其加工技术的研究势在必行。美国麻省理工学院的燃气涡轮实验室于2003年采用MEMS技术加工出了直径为21mm，厚为3

4、．7mm，转速为1．2×106r／min的微型涡轮发动机，其微型涡轮的叶片采用直壁结构，直径为4mm【2】。比利时鲁汶大学于2004年采用电火花成形加工方法研制了不锈钢材料的微型涡轮发动机，其中压气机叶轮为非直壁结构，直径为20mm，包括10个长叶片和10个短叶片【3l。英国学者Heatonf4I于2005年采用受激准分子激光在PMMA材料上加工出微小涡轮盘。基于所研制的五轴微小型立式铣床，韩国学者Bang等睁1于2005年使用直径200ixm硬质合金平头立铣刀，在黄铜工件上加工出了直径800肛m的微型直壁叶轮。比利时鲁汶大学于2009年基于微铣机床KernMMP，采

5、用UGNX3／CAM进行数控编程，通过五轴铣削加工制备出了直径20mm的钛合金材料的压气机叶轮呻l，其中采用了直径lmm和0．5mm的硬质合金球头铣刀对叶轮的不同部位进行加工。13本东北大学采用微磨削、车削以及电火2017年第15期·航空制造技术45一鬻超≮艇钐论坛花的方法研制出了微型燃气涡轮发动机一曲】，其直径为lOOmm，长度为150mm，并通过测试发现该发动机可以实现3．6X105r／min的转速，其中压气机叶轮的直径为16mm，涡轮叶轮的直径为17．4mm。哈尔滨工业大学董颖怀等”¨111于2009年设计了一种三维结构的离心式压气机，采用微细电火花铣削加工方法

6、，得到了具有良好表面质量和精度的三维金属微型压气机，该压气机有8个叶片，直径为3mm，高度为1．5ram，叶片的出口高度为0．4mm，厚度为0．1mm；微型涡轮叶片的直径为2．9mm，叶片高0．4mm，叶片厚度为0．1mm。哈尔滨工业大学的Zhang等【12—31于2010年通过自行研制的5轴微铣机床，加工出了直径为20ram的微小型叶轮；并于2012年对微小型闭式整体叶轮进行了研究，该微小型叶轮的尺寸为'／)20X14(mm)，相邻两个叶片间的最小距离仅为2．3mm；利用uG／cAM软件生成了叶轮的加工轨迹，并利用Vericut仿真软件对微小型叶轮的刀路轨迹进行了加

7、工仿真。哈尔滨工业大学的Geng等【141于2014年采用微细电火花加工技术，加工出了微型发动机转子模具，然后通过挤压成型，加工出直径为6mm的微小直壁叶轮，叶轮叶片的厚度为0．3mm，高度为O．832mm。鉴于五轴微细铣削方法在复杂零部件加工中的众多优势，开展了微小整体叶轮五轴联动微细铣削方法的加工研究。基于CAD软件SolidWorks对微小整体叶轮进行三维建模，该叶轮的直径为lOmm，有6个相同的扭曲叶片，叶片最小厚度为0．15ram，两相邻叶片间的最小距离为0．58mm。利用CAM软件PowerMill生成微小整体叶轮加工的刀路轨迹，并对刀路