基于五軸機床的葉輪實體建模與加工

趙玉俠 狄杰建 高德文

（北方工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100144）

整體葉輪是發(fā)動機的重要組成部件，被廣泛應(yīng)用于航空、航天及其他工業(yè)領(lǐng)域，其加工質(zhì)量對發(fā)動機性能有決定性的影響。葉片在工作中要承受復(fù)雜應(yīng)力和微震動，因此對整體葉輪材料、機械加工工藝等都有極高的要求。然而，其葉片型面通常為自由曲面，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。發(fā)動機葉片的加工工作量約占整臺發(fā)動機加工工作量的30%～40%。所以，葉輪的加工一直是技術(shù)難題，倍受各國工業(yè)界的關(guān)注。發(fā)達國家在五坐標高效加工方面開展了深入的研究，較好地解決了薄壁葉片的數(shù)控加工變形問題。但是，國內(nèi)對葉輪加工領(lǐng)域的研究和應(yīng)用同發(fā)達國家相比還有很大差距。針對這一情況，本文主要是依托北方工業(yè)大學(xué)數(shù)控中心擁有的DMU－60P五軸機床進行加工，選用Pro/Engineer軟件對實體葉輪進行造型，然后將模型導(dǎo)入到PowerMill軟件中進行自動編程，選取刀軸自動避讓功能，定義刀軸限界功能，避免了干涉問題，并生成NC程序，成功地將NC程序從PowerMill軟件中導(dǎo)入DMU－60P五軸機床。并以某離心式壓縮機整體葉輪產(chǎn)品為例進行了加工驗證，加工出了實體產(chǎn)品。

1 整體葉輪的實體造型

如圖1所示是某型號離心式壓縮機的基本組件之一，其幾何形狀可分為輪轂和葉片兩部分，葉片又包含包覆曲面、壓力曲面及吸力曲面。其中主要的參數(shù)有:葉片截面上的離散點的數(shù)據(jù)及包覆曲線、輪轂曲線、包覆端曲面和輪轂端曲面。

整體葉輪的實體造型主要包括創(chuàng)建葉片實體和輪轂實體兩部分。葉片曲面為光順性、連續(xù)性要求較高的自由曲面，其截面線是復(fù)雜的自由曲線，因此葉片實體造型難度較大。目前的主要造型思路是，先創(chuàng)建截面線，再采用通過截面線（Through curves）的方法進行葉片的曲面造型。輪轂的創(chuàng)建較為簡單，在草圖方式下創(chuàng)建截面線串，通過旋轉(zhuǎn)（Revolve）命令對截面線串旋轉(zhuǎn)，創(chuàng)建輪轂回轉(zhuǎn)體?？梢姡~片實體的造型是整體葉輪造型的關(guān)鍵。

1．1 葉片的創(chuàng)建

1．1．1 葉片造型方法分析

葉片的實體造型是整體葉輪造型工作的關(guān)鍵部分，其設(shè)計要求較高，曲面特征也較復(fù)雜。葉輪的設(shè)計圖紙?zhí)峁┝巳~片截面的點數(shù)據(jù)，輪轂曲面的旋轉(zhuǎn)曲面點數(shù)據(jù)，如圖2所示。葉片基于Pro/Engineer的曲面造型，通常采用通過截面線的方法。

1．1．2 建立葉片空間截面列表曲線點坐標

根據(jù)獲得的截面列表曲線坐標點，定義葉片的包覆曲線和輪轂曲線（圖3）。

分別完善葉片的頂部曲面、底部曲面、葉片前后方曲面后，初步形成葉片雛形，隱藏坐標系以及空間截面點坐標后，形成葉片實體建模（圖4）。

1．2 輪轂的創(chuàng)建

輪轂的創(chuàng)建較為簡單。本文是在草圖方式下創(chuàng)建截面線串，利用旋轉(zhuǎn)命令對截面線串旋轉(zhuǎn)，創(chuàng)建輪轂回轉(zhuǎn)體（圖5）。

1．3 創(chuàng)建整體葉輪

把生成的葉片實體進行復(fù)制、鏡像，生成6個葉片，并分別對每個葉片進行變倒角處理，將各個實體部分進行修正，最后創(chuàng)建整體葉輪實體（圖6）。

2 刀位軌跡生成

參數(shù)曲面加工的刀路生成方法包括等參數(shù)線法、等距截平面法、等距偏置法、等殘留高度法和自適應(yīng)等參數(shù)法等。根據(jù)粗、精加工的要求不同，以及葉輪輪廓各部分曲面的不同，選用不同的走刀方式。本文中采用Pro/Engineer造型的葉輪實體模型，通過PowerMill內(nèi)置的PS－Exchange軟件，直接轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入到Power-Mill中。本次葉輪的加工就選用策略選取器中的葉盤加工。葉盤加工又分為葉盤區(qū)域清除模型、輪轂精加工、葉片精加工。

2．1 切削刀具的選擇

根據(jù)整體葉輪的曲面特征，分別為毛坯粗加工、輪轂精加工和葉片精加工選取不同的刀具。對于毛坯粗加工，選用環(huán)形刀具，有利于提高切削效率;對于輪轂精加工，由于該葉輪葉片間的流道細長，球形銑刀在銑削輪轂曲面時，易發(fā)生干涉現(xiàn)象，因此選用錐形球頭銑刀，有利于提高刀具的剛度;對于直紋葉片，選用圓柱銑刀（立銑刀）可以顯著提高切削的效率和質(zhì)量。

2．2 刀具避讓及干涉檢查

五軸數(shù)控機床除了僅需一次裝夾定位即能完成復(fù)雜形體工件的全部加工，節(jié)省大量的加工時間外，還新增了自動避免碰撞功能，使自動五軸編程成為了現(xiàn)實。使用此功能，可以按照編程人員設(shè)定的碰撞間隙自動調(diào)整刀軸，在五軸加工不到的部位自動避讓刀軸，在五軸不會產(chǎn)生碰撞的部位又自動恢復(fù)五軸加工狀態(tài)。全部刀具路徑都經(jīng)過過切檢查和機床仿真，從而保證了人員及設(shè)備的安全。

3 加工仿真和產(chǎn)生NC程序文件

3．1 葉輪的模擬加工

進行了刀具避讓和干涉檢查功能后，再進行另一項檢查就是模擬加工檢查。按照既定的加工策略和選擇好的刀具，以及生成好的走刀路徑，可以進行毛坯的粗加工、輪轂的精加工和葉片的精加工。

3．1．1 葉輪的模擬粗加工

葉輪的毛坯粗加工是以快速切除毛坯余量為目的，在粗加工時應(yīng)選用較大的進給量和盡可能大的切削深度，以便在較短的時間內(nèi)切除盡可能多的余量，因此粗加工對毛坯的加工精度要求不高。為了提高毛坯的加工效率，選擇了三軸數(shù)控機床進行毛坯粗加工。葉輪的模擬粗加工如圖7所示。

與葉輪毛坯的粗加工相比較，輪轂精加工主要考察的加工指標是輪轂表面的加工精度。我們選用球頭刀按照輪轂曲面方向逐行走刀，加工出葉輪輪轂。在PowerMill軟件中，加工葉輪輪轂的模擬部分如圖8所示。

3．1．2 葉輪葉片的模擬精加工

葉片的精加工是加工葉輪的最后一步，葉片的加工工作量約占整個機器加工工作量的30%～40%。葉片在工作中要承受復(fù)雜應(yīng)力和微震動，因此，對葉片的加工有極高的要求。葉片加工的質(zhì)量是葉輪質(zhì)量的關(guān)鍵。在PowerMill軟件中，葉片精加工的模擬部分如圖9所示。

3．3 NC程序文件代碼

經(jīng)過刀具避讓、干涉檢查和模擬加工，確定無錯誤和失誤后，就可以將加工策略生成為走刀路徑，其后就可以將走刀路徑生成NC程序文件。

PowerMill的后處理文件采用的是文本結(jié)構(gòu)，雖然目前Delcam公司并沒有公開其后處理文件的編制方法，但從目前發(fā)布的機床后處理文件分析，PowerMill后處理文件采用的是自然語言結(jié)構(gòu)。用戶可以根據(jù)自己的需要，對后處理程序進行修改和優(yōu)化。

4 實際加工離心葉輪

4．1 導(dǎo)入NC程序

要想將NC程序?qū)氲轿遢S加工中心，首先就必須建立計算機、軟件和五軸加工中心之間的聯(lián)系。聯(lián)系方式就是建立TCP/IP協(xié)議，在IP address中填寫相應(yīng)的地址。其次就是點擊鼠標把《Standard》中的上欄產(chǎn)生的NC程序名稱拖拽到下欄（圖10）。

4．2 實際加工葉輪

本文葉輪加工是利用Delcam－PowerMill軟件進行NC程序編程，并完成傳接，最終在北方工業(yè)大學(xué)數(shù)控中心DMU 60P hidyn五軸加工中心上完成加工。粗加工采用頂端噴射切削冷卻液，S=1 500，F(xiàn)=200，切削量=1.5 mm。粗加工完成的葉輪如圖11b所示。輪轂粗加工和葉片精加工的參數(shù)是 S=1 500，F(xiàn)=300，切削量=1 mm。精加工完成后的葉輪如圖11c所示。

5 結(jié)語

本文針對具有復(fù)雜型面的葉輪，通過Pro/Engineer進行三維實體造型，運用了PowerMill對整體葉輪加工軌跡進行了規(guī)劃、加工仿真，有效地避免了相鄰葉片之間由于空間小而產(chǎn)生的碰撞干涉，并生成NC程序，在DMU 60P hidyn五軸加工中心完成了某離心式壓縮機整體葉輪。該整體葉輪精度較高，可見選取的走刀路徑還是比較成功的，加工后的葉輪能滿足使用要求，誤差在允許范圍內(nèi)。但由于受刀具材料和刀具長度的限制，導(dǎo)致刀具震顫和刀具硬度不夠，致使加工時間較長一些。實驗結(jié)果表明該方法是可行的，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的造型、加工具有指導(dǎo)意義。

文中沒有考慮葉片加工中的受力變形問題。葉片在加工過程中是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，刀具的切削力會使葉片產(chǎn)生變形，這使葉片加工的精度降低。葉片變形將成為后續(xù)研究工作的重點之一。

整體葉輪的五坐標數(shù)據(jù)加工要求比較嚴格，仍有許多問題需要完善，比如如何進一步提高加工質(zhì)量和加工效率等。

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